pořádá pod záštitou PaedDr. Petra Navrátila - člena Rady Zlínského kraje 8. CELOSTÁTNÍ SEMINÁŘ UČITELŮ STŘEDNÍCH ŠKOL,

Transkript

1 PEL 2014 pořádá pod záštitou PaedDr. Petra Navrátila - člena Rady Zlínského kraje PERSPEKTIVY ELEKTRONIKY CELOSTÁTNÍ SEMINÁŘ UČITELŮ STŘEDNÍCH ŠKOL, který se koná dne 15. dubna 2014 v hlavní budově SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm, Školní 1610, Rožnov pod Radhoštěm. Sborník přednášek PE L fuchs 2014

2

3 PERSPEKTIVY ELEKTRONIKY CELOSTÁTNÍ SEMINÁŘ UČITELŮ STŘEDNÍCH ŠKOL SBORNÍK PŘEDNÁŠEK Střední škola informatiky, elektrotechniky a řemesel Rožnov pod Radhoštěm 15. dubna 2014

4

5 Redakční rada PEL 2014: Mgr. Miroslav Trefil Mgr. Petr Fuchs Ing. Anna Zejdová Ing. Bohumil Federmann Jan Koleček Ing. Jiří Král Ing. Jiří Kubeša Ing. Petr Michalík Ing. Jan Pilčík Ing. Petr Stavinoha Ing. Evžen Žabčík Grafický návrh obálky: Mgr. Petr Fuchs Sazba a tisk: SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm, Školní 1610, ISBN

6

7 OBSAH Program semináře PEL Mobilní komunikace dnes a zítra Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů Perspektivy elektroniky Technika FPGA Mikrovlnná skenovací mikroskopie Základní aktivní trojpóly v elektronice Aplikace hradlových polí Vývojový kit ZYNQ SystemC nástroje a prostředí pro návrh systémů na čipech moderních rozsáhlých hradlových polí a polí se smíšenými signály Modernizace výuky odborných předmětů v oblasti ICT a elektrotechniky

8 8

9 PROGRAM SEMINÁŘE PEL duben :15 9:15 Prezentace účastníků semináře v kinosále školy 9:15 Uvítání hostů- zahájení Mgr. Miroslav Trefil, ředitel školy 9:20 Organizační pokyny Mgr. Petr Fuchs, zástupce ředitele školy 9:25 Vystoupení zástupců firmy Freescale zabývající se vývojem polovodičových součástek 9:30 12:00 Vystoupení přednášejících dopolední blok Aplikace moderních hradlových polí Systém C prof.ing. Karel Vlček, CSc., UTB Zlín, FAI Mikrovlnná skenovací mikroskopie Ing. Milan Navrátil, Ph.D., UTB Zlín, FAI Moderní senzory a jejich aplikace prof. Ing. Pavel Ripka, CSc., ČVUT Praha, FEL Perspektivy elektroniky prof.ing. Miroslav Husak, CSc., ČVUT Praha, FEL Mobilní komunikace dnes a zítra prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc., VUT Brno, FEKT 12:00-12:30 Přestávka na oběd 12:30-15:00 Vystoupení přednášejících odpolední blok Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D., VUT Brno, FEKT Technika FPGA Ing. Vladimír Kašík, Ph.D., VŠB Ostrava, FEI Základní aktivní trojpóly v elektronice doc. Dr.Ing. Josef Punčochář, VŠB Ostrava, FEI Aplikace hradlových polí Vývojový kit ZYNQ 7000 Ing. Soběslav Valach, VUT Brno, FEKT Propad počtu absolventů technických oborů a nábor nových zaměstnanců pro ON SEMI Ing. Aleš Cáb, Výrobní ředitel ON Semiconductor v ČR 15:00-15:30 Přesun do firmy On Semiconductor Czech Republic Rožnov p.r. 15:30-16:30 Prohlídka Design Centra ON Semiconductor 16:30-17:00 Ukončení semináře, malé pohoštění Mgr. Miroslav Trefil, ředitel školy Ing. Aleš Cáb, Výrobní ředitel ON Semiconductor v ČR 9

10 10

11 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra MOBILNÍ KOMUNIKACE DNES A ZÍTRA Stanislav Hanus Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně, Technická 12, Brno hanus@feec.vutbr.cz Abstrakt: Za pouhých dvacet let se mobilní komunikace staly nedílnou součástí našeho profesního i soukromého života. Jejich dynamický rozvoj byl vynucen neustále rostoucí potřebou komunikace a výměny informací mezi dvěma nebo několika mobilními subjekty, které se nacházejí na libovolném místě zemského povrchu nebo v jeho těsné blízkosti. Následující text stručně popisuje současný stav i perspektivy mobilních komunikací. 1. Úvod V dynamickém vývoji systémů mobilních komunikací lze vysledovat určité etapy. Původní analogové systémy 1. generace (1G), určené pro přenos hovorových signálů, byly koncem minulého století nahrazeny digitálními systémy 2. generace. Na ně vývojově navázaly tzv. systémy 2,5 generace, které již umožnily výrazný podíl datových přenosů. V současné době jsou již zavedeny i systémy 3. generace, vyvinuté podle doporučení ITU (International Telecommunications Union). Přenosová rychlost signálu se v průběhu vývoje jednotlivých systémů změnila z jednotek kbit/s až po současné desítky Mbit/s. Vývoj mobilních systémů však pokračuje dále a již dnes jsou zaváděny nové systémy 4. generace umožňující zvýšit přenosovou rychlost signálu až na stovky Mbit/s. Využívají přitom kmitočtová pásma i v oblasti jednotek GHz, nové modulační a přístupové postupy i techniku MIMO. Na obr. 1 je znázorněn vývoj mobilních systémů podle generací. U každé generace systémů jsou uvedeny nejznámější mobilní systémy i typické přenosové rychlosti signálů. 11

12 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Obr. 1 Vývoj mobilních systémů Mobilní systémy lze rozdělovat podle různých hledisek. Dříve se rozdělovaly podle způsobu realizace rádiového spojení, podle použité technologie, podle struktury použitých sítí, případně podle toho, zda bylo možné systém připojit k veřejné telekomunikační případně i jiné síti nebo zda systémy využívaly družic či nikoliv atd. V dnešní době se mobilní systémy nejčastěji rozdělují podle velikosti území, které může systém pokrýt svým signálem, obr. 2. Rozlišujeme čtyři základní skupiny mobilních systémů pro vytváření sítí s označením WAN, MAN, LAN a PAN. Uvedené rozdělení je možné provést buď podle označení ETSI (European Telecommunication Standard Institute) nebo IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers). Obr. 2 Rozdělení mobilních systémů 12

13 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Typickými systémy pro vytváření tzv. celoplošných sítí WAN jsou systémy GSM, UMTS nebo LTE. Naopak pro vytvoření nejmenší sítě, tzv. osobní sítě PAN, lze využít například systém Bluetooth. Uvedené zkratky jsou někdy doplněny písmenem W (Wireless), které zdůrazňuje, že se jedná o bezdrátové sítě (WWAN, WMAN, WLAN a WPAN). V následujícím textu bude uveden základní popis nejznámějších mobilních systémů. 2. Systém GSM Buňkový mobilní systém GSM (Global System for Mobile communication) patří mezi systémy druhé generace (2G), které jsou již plně digitální. V roce 1991 vydal ETSI první část doporučení GSM - Phase 1. Zpočátku se systém používal pouze pro přenos hovorových signálů a datových signálů s přenosovou rychlostí do 9,6 kbit/s. Později se vývoj systému dostal do druhé fáze, GSM Phase 2 a díky dostatečné flexibilitě systému mohly být do něj implementovány nové technologie GPRS, HSCSD a EDGE (2,5G). V porovnání s analogovými systémy umožňuje systém GSM dosáhnout kvalitnější spojení v nepříznivých podmínkách pozemních rádiových kanálů, efektivněji využívá přidělená kmitočtová pásma a odolnost vůči odposlechu je vysoká. Přenos signálů v digitální formě umožňuje značně rozšířit nabídku poskytovaných služeb Používaná kmitočtová pásma Primární systém GSM, označovaný PGSM (Primary GSM) nebo GSM 900, má přidělené kmitočtové pásmo 890 MHz až 960 MHz rozděleno na dvě části. Pro spojení mobilní stanice MS (Mobile Station) základnová stanice BTS (Base Tranceiver Station), tzv. uplink, je vyhrazeno pásmo 890 MHz až 915 MHz. Pro spojení BTS MS, tzv. downlink, je vyhrazeno pásmo 935 MHz až 960 MHz. Využívá se přístup FDMA (Frequency Division Multiple Access) a kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex). Základnové stanice vysílají na vyšším kmitočtu duplexního páru, jehož rozteč je 45 MHz. Uvnitř každého pásma je vytvořeno 124 rádiových kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Na horním a dolním okraji každého pásma jsou oddělovací úseky s šířkou 100 khz, obr. 3. PGSM (Primary GSM), MHz MHz uplink (UL) přenos signálu od MS k BTS MHz downlink (DL) přenos signálu od BTS k MS ARFCN = n khz 200 khz f CUL [MHz] 890,0 890,2 890,4 890,6 B = 200 khz 915,0 f CDL [MHz] 935,0 935,2 935,4 935,6 B = 200 khz 960,0 FDMA - FDD Rozteč duplexního páru 45 MHz Obr. 3 Rozdělení kmitočtového pásma systému PGSM Systém PGSM používá tedy 124 duplexních kanálů. V každém rádiovém kanálu je metodou TDMA (Time Division Multiple Access) vytvořeno 8 časových intervalů TS (Time Slot), které tvoří rámec TDMA, obr. 4. Do každého TS je vložen jeden uživatelský kanál, 13

14 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra při použití zdrojového kodéru s plnou rychlostí FR (Full Rate). Celkový počet uživatelských duplexních kanálů při použití kodéru FR je f s f CUL (9) f CUL (8) f CUL (7) f CUL (6) f CUL (5)..... TS 6 TS 6 TS 6 TS 6 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS 1 TS 7 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 0 TS khz.. TDMA rámec 4,615 ms TDMA t Obr. 4 Rozdělení uživatelských kanálů systému GSM V současné době se běžně používá i rozšířený systém GSM, označovaný EGSM (Extended GSM), jehož kmitočtová pásma jsou na spodních okrajích rozšířena o 10 MHz ve srovnání s PGSM. Kapacita systému se zvýšila o 50 duplexních kanálů (tj. 400 uživatelských kanálů). Systém GSM 1800, používá kmitočtová pásma 1710 MHz až 1785 MHz pro uplink a 1805 MHz až 1880 MHz pro downlink. V těchto pásmech je umístěno 374 rádiových kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Rozteč duplexního páru je 95 MHz. Systém GSM 1900, se používá od roku 1995 v USA. Kmitočtová pásma 1850 MHz až 1910 MHz pro uplink a 1930 MHz až 1990 MHz pro downlink, jsou rozdělena na 299 kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Rozteč duplexního páru je 80 MHz. Od GSM 1800 se kromě kmitočtových rozsahů liší i v používaných výkonových úrovních. Systém GSM-R (Railway) se používá v železniční dopravě a umožňuje komunikaci až do rychlosti mobilní stanice 500 km/hod. (ostatní systémy GSM umožňují komunikaci při rychlosti do 250 km/hod.). Kmitočtová pásma 876 MHz až 880 MHz pro uplink a 921 MHz až 925 MHz pro downlink, jsou rozdělena na 19 kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Používá dokonalejší zabezpečení signálu. Uživatelský kanál nemusí využívat po celou dobu komunikace jedinou nosnou, ale podle určitých pravidel může měnit nosnou v pravidelných časových intervalech. Využívají se tzv. pomalé kmitočtové skoky (Short Frequency Hopping), kterými se sníží především ztráty způsobené Rayleighovým únikem v případech, kdy se mobilní stanice téměř nepohybuje. Podle používaných výkonových úrovní jsou mobilní a základnové stanice systému GSM rozděleny do několika tříd. Minimální výkon signálu vysílaného MS je 20 mw (13 dbm). Podle příjmových podmínek může systém měnit vysílací výkony po krocích minimálně 2 db Zpracování signálu Základními kroky při zpracování signálu jsou zdrojové kódování, kanálové kódování a digitální modulace. Po převodu analogového hovorového signálu do digitální formy dochází při zdrojovém kódování k redukci redundance (nadbytečnosti) a irelevance (zbytečnosti). Výsledkem je výrazné snížení přenosové rychlosti signálu na hodnotu 13 kbit/s. Následuje kanálové kódování, při němž je signál zabezpečen proti chybám v přenosovém kanálu. Zabezpečením signálu se zvýší jeho přenosová rychlost na 22,8 kbit/s, avšak 14

15 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra na přijímací straně je možné signál opravit a snížit tak jeho chybovost BER (Bit Error Rate). Součástí kanálového kódování je i prokládání (Interleaving), kterým se signál zabezpečuje proti shlukovým chybám. Výsledný signál je rozdělen do skupin po 114 bitech. Každá vytvořená skupina 114 bitů se rozdělí na dvě části po 57 bitech, které se doplní o 26 bitů tzv. tréninkové sekvence, dále o 2 bity řídicí a dvě trojice koncových (okrajových) bitů. Výsledkem je blok dat, který tvoří základní jednotku přenosu v systému GSM označovanou názvem normální burst. Tréninková sekvence dat je pravidelně vysílána uprostřed každého burstu pro zajištění funkce ekvalizace. Celkové struktura normálního burstu pro přenos hovorových signálů a některých řídicích signálů, je nakreslena na obr. 5. V systému GSM se používá pět různých druhů burstů. Kromě již uvedeného normálního burstu, jsou to dále burst pro kmitočtovou korekci, synchronizační burst, přístupový burst a prázdný burst. Jednotlivé bursty se vkládají do timeslotů (0,577 ms), které vytvářejí hierarchickou strukturu rámců. Přenosová rychlost signálu GSM v rádiovém kanálu je 270,833 kbit/s. 114 bitů Normální burst 156,25 bitů ~ 0,577 ms 8,25 Užitečné bity Řídicí bity Tréninková sekvence Okrajové bity Ochranné bity Obr. 5 Normální burst Osm timeslotů tvoří TDMA rámec s dobou trvání 8.0,577 4,615 ms. Tyto rámce se pravidelně opakují. Hovorový signál sestavený do burstů se tedy přenáší v určitých pravidelně se opakujících timeslotech TDMA rámců (viz barevně označené TS v obr. 4). Spojením 26 hovorových TDMA rámců vzniká jeden multirámec. Dalším spojením 51 multirámců vznikne jeden superrámec a konečně spojením 2048 superrámců vznikne jeden hyperrámec s dobou periody 3 hodiny, 28 minut, 53 sekund a 760 ms. V případě, že jsou v TDMA rámcích přenášeny signalizační signály, potom jeden multirámec vznikne spojením 51 signalizačních TDMA rámců. Spojením 26 těchto multirámců vznikne jeden superrámec. Uvedená struktura všech rámců spolu s použitou ekvalizací, dovolují používat mobilní stanice až do rychlosti 250 km/hod. Signál vytvořený popsaným způsobem se přivádí do modulátoru GMSK, kde je modulován na nosnou. Základním parametrem modulátoru je normovaná šířka pásma b = B.T b = 0,3 (kde B je šířka pásma Gaussova filtru, T b je bitová perioda signálu). Modulovaný signál je výkonově zesílen a vyzářen anténou do rádiového prostředí Architektura systému Blokové schéma systému GSM lze rozdělit na tři základní subsystémy, obr. 6. Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) obsahuje základnové stanice BTS (Base Transceiver Station), které jsou řízeny základnovou řídicí jednotkou BSC (Base Station 15

16 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Controller). Prostřednictvím rádiového rozhraní U m komunikují s tímto subsystémem mobilní stanice MS (Mobile Station). Síťový a spínací (přepojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) obsahuje mobilní rádiovou ústřednu MSC (Mobile Switching Centre), která je vždy doplněna databází VLR (Visitor Location Register) uživatelů, kteří se nacházejí na území obsluhovaném danou ústřednou. Součástí NSS je i databáze HLR (Home Location Register), ve které jsou uloženy informace o všech uživatelích daného operátora. V centru autentičnosti AuC (Authentication Centre) se generuje tzv. triplet, obsahující údaje nutné pro ověření totožnosti uživatele a šifrování signálu. Registr EIR (Equipment Identity Register) obsahuje seznamy MS kradených, porouchaných a registrovaných. Operační subsystém OSS (Operation Support Subsystem) zajišťuje servis a koordinuje funkci celého systému (provoz, údržba, opravy poruch atd.). Jeho součástí je provozní a servisní centrum OMC (Operational and Maintenance Centre), centrum managementu sítě NMC (Network Management Centre) a administrativní centrum ADC (Administrative Centre) Datové přenosy v systému GSM Systém GSM umožňuje přenos dat s rychlostí nejvýše 9,6 kbit/s. Díky jeho flexibilitě však mohly být do něj implementovány systémy, které umožňují přenos dat s výrazně vyšší přenosovou rychlostí. Implementace systému HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) do struktury systému GSM nevyžaduje hardwarový zásah a je pouze softwarovou záležitostí. Podobně jako u původního systému GSM využívá i HSCSD tzv. komutované spojování (přepojování okruhů), při kterém je po navázání spojení blokován přenosový kanál i v případě, kdy se jím žádné signály nepřenášejí. Systém GPRS (General Packet Radio Service) implementovaný do systému GSM umožňuje přenos datových paketů přes rádiové rozhraní s teoretickou přenosovou rychlostí až 171,2 kbit/s. Poněvadž systém GSM neumožňuje paketový přenos dat, bylo nutné doplnění jak MS, tak i dalších částí systému GSM o nové bloky PCU (Packet Controller Unit), SGSN (Serving GPRS Support Node) a GGSN (Gateway GPRS Support Node). Paketový přenos dat umožňuje vysoce efektivní využití přenosových prostředků, neboť tyto jsou využívány (blokovány) pouze po dobu přenosu signálu. Síť GPRS využívá ze sítě GSM především její rádiovou část. Pro kódování signálu na rádiovém rozhraní specifikoval ETSI pro GPRS čtyři různá kódovací schémata CS (Coding Scheme), Kódovací schéma CS1 představuje nejbezpečnější způsob kódování s vysokou odolností proti chybám na rádiovém rozhraní, což má však za následek nízkou uživatelskou přenosovou rychlost. Naproti tomu kódovací schéma CS4, je z pohledu odolnosti vůči chybám nejméně bezpečné, avšak umožňuje dosáhnout nejvyšší uživatelské přenosové rychlosti. Při využití všech osmi timeslotů jednoho TDMA rámce, lze pro kódovací schéma CS4 stanovit teoretickou přenosovou rychlost fyzické vrstvy systému GPRS na 21, ,2 kbit / s. U systému GPRS je provoz rozdělen do 29 tříd, podle maximálního počtu využívaných timeslotů v uplinku a downlinku. O přidělování timeslotů uživateli rozhoduje operátor podle okamžitých provozních podmínek. Přenosová rychlost signálu proto závisí na počtu přidělených timeslotů a na kvalitě rádiového prostředí, podle které se volí vhodné kódovací schéma. 16

17 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra MS MS MS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BSC BSS BSC BSS BSC BSS OMC VLR MSC VLR MSC NMC ADC EIR AuC EIR HLR OSS NSS k externím sítím: PSTN, ISDN, PLMN,... Obr. 6 Architektura systému GSM Systém EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), implementovaný do systému GSM, podporuje paketový přenos dat. Umožňuje zvýšit přenosovou rychlost signálu při alokování všech 8 timeslotů až na hodnotu 473,6 kbit/s. Této vysoké rychlosti je dosaženo změnou používané digitální modulace. Zatímco systémy HSCSD i GPRS používají modulaci GMSK, systém EDGE používá i modulaci 8 PSK (Eight Phase Shift Keying). Využití tohoto systému vyžadovalo proto zásah do hardwarového řešení BTS i MS. Pro kódování signálů se používá 9 modulačních a kódovacích schémat, označených MCS-1 až MCS-9 (Modulation and Coding Scheme), která se volí v závislosti na kvalitě rádiového prostředí, tj. poměru C/I (Carrier to Interference). Při použití vyššího modulačního a kódovacího schématu se dosahuje vyšších přenosových rychlostí, avšak zabezpečení signálu proti chybám je menší. 3. Systém UMTS Systém UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) je systémem 3G. Podporuje spojování s rychlým paketovým přenosem dat i komutované spojování s přepínáním okruhů. Přenosová rychlost signálu se blíží hodnotě 2 Mbit/s, avšak pouze v případě, kdy je mobilní stanice v klidu. Při zvyšování rychlosti pohybu mobilní stanice, přenosová rychlost signálu klesá. Při maximální rychlosti mobilní stanice cca 350 km/hod. by přenosová rychlost signálu měla být minimálně 144 kbit/s. Systém používá kombinovaný přístup FDMA - CDMA (Code Division Multiple Access) a časový i kmitočtový duplex TDD (Time Division Duplex), FDD (Frequency Division Duplex). 17

18 3.1. Kmitočtová pásma S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Pro systém UMTS jsou vyhrazena kmitočtová pásma v okolí 2 GHz. Pro nepárovaná pásma 2 a 5 byla zvolena technologie TDD-WCDMA (Wideband CDMA), vhodná pro nesymetrické vysokorychlostní datové přenosy hlavně uvnitř budov. Pro párovaná pásma 3 a 6 byla zvolena technologie FDD-WCDMA, vhodná pro velkoplošné pokrytí a pro hovorové a středně rychlé symetrické datové služby. Podobně jako všechny systémy CDMA, je však tato technologie náročná na regulaci výkonu MS i BTS. Kmitočtové pásmo 1 je vyhrazeno pro přístup pomocí systému DECT a pásma 4 a 7 jsou vyhrazena pro družicovou komunikaci systému UMTS. Základní přístupovou metodou je širokopásmový kódový multiplex s přímým rozprostřením DS-WCDMA. Pracuje se základní čipovou rychlostí 3,84 Mchip/s a šířkou pásma rádiového kanálu 5 MHz. Pro downlink se používá modulace QPSK, pro uplink modifikovaná modulace QPSK. Je využito dynamické přidělování kanálů DCA a použit měkký handover. K zajištění celkové dostupnosti i v řídce obydlených nebo nedostupných oblastech využívá systém UMTS kromě svých pozemních složek T-UMTS také družicové složky S-UMTS Architektura systému UMTS Architekturu systému UMTS je možné znázornit pomocí různých modelů, z nichž každý popisuje systém z jiného pohledu. Základní architektura systému UMTS je uvedena na obr. 7. Páteřní síť Rádiová přístupová síť Iu - CS CS - Domain VLR MSC GMSC PSTN Node B RNC Iu - BC BC - Domain CBC EIR HLR Node B PS - Domain Iu - PS SGSN GGSN PDN Obr. 7 Základní architektura systému UMTS Základem je pevná páteřní síť CN (Core Network), která řídí provoz a spojení v systému. Směrem k účastníkovi následuje rádiová přístupová síť RNS (Radio Network System), která plní přenosové a přepojovací funkce. Využívá rádiového rozhraní UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access), ke kterému mají přístup všichni uživatelé. Rádiovou přístupovou síť tvoří bloky RNS obsahující základnové stanice v jedné nebo více buňkách, které jsou vzájemně propojeny s řídicí jednotkou RNC (Radio Network Controller). Základnová stanice se u systémů 3G označuje Node B. Mezi RNS a dílčími subsystémy (doménami) páteřní sítě (CS Domain, BC Domain, PS Domain) jsou přesně definovaná rozhraní, umožňující páteřní síti využívat i jiné rádiové přístupové technologie. Tato rozhraní se označují Iu-CS (Circuit Switched), Iu-BC (BroadCast) a Iu-PS (Packet Switched). 18

19 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Páteřní síť má podobnou konfiguraci jako systém GSM a je složena ze dvou hlavních provozních částí (subsystémů, domén) určených pro různé druhy provozu. V subsystému s označením CS Domain je soustředěn pouze komutovaný provoz neboli provoz s přepínáním okruhů (obdoba hlasové komunikace v systému GSM). Naopak v subsystému označeném PS Domain je soustředěn pouze paketový provoz neboli provoz s přepínáním paketů (obdoba datové komunikace v systému GPRS). Obě domény využívají společně ostatních částí systému (HLR, EIR aj.), které jsou důležité pro identifikaci uživatele, roaming mobilní stanice MS obecně uživatelského zařízení UE (User Equipment) a další služby. Doména CS zajišťuje nastavení všech částí páteřní sítě pro komutovaný přenos včetně potřebné signalizace. Obsahuje MSC, GMSC, VLR a provádí i všechny potřebné funkce směrem k sítím PSTN (Public Switched Telephone Network), resp. ISDN (Integrated Services Digital Network). Obdobně doména PS provádí nastavení všech potřebných částí CN pro paketový přenos. Obsahuje SGSN, GGSN a zajišťuje všechny potřebné funkce směrem k paketovým sítím PDN (Packet Data Network), např. k síti Internet. Kromě uvedených hlavních domén je součástí CN i doména BC (BroadCast) obsahující centrum pro koordinaci vysílání v jednotlivých buňkách CNC (Cell Broadcast Center) Zpracování a přenos signálů Základní a nejdůležitější operace používané při zpracování signálů v systému UMTS jsou kódování kanálů (Channelization) a skramblování (Scrambling). Při obou operacích se používají speciální kódy. Pro kódování kanálů se používají ortogonální rozprostírací kódy nazývané Walshovy kódy, zatímco při skramblování se používají pseudonáhodné kódy PN (Pseudo-Noise codes, Pseudorandom codes). Walshovy kódy mají výborné vzájemně korelační vlastnosti (pokud jsou kódy synchronní, jejich vzájemně korelační funkce je nulová), avšak špatné autokorelační vlastnosti. Často se také označují zkratkou OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor codes). Pseudonáhodné kódy mají naopak výborné autokorelační vlastnosti (autokorelační funkce má impulzní průběh), avšak špatné vzájemně korelační vlastnosti. Při kódování kanálů v systému UMTS se používá technika DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum), při níž dochází k rozprostření spektra signálu, obr. 8. Vstupní úzkopásmový datový signál s určitou bitovou rychlostí je v obvodu XOR sčítán s rozprostíracím kódem s konstantní čipovou (chip) rychlostí 3,84 Mchip/s. Výstupní signál má rozprostřené spektrum a jeho šířka pásma závisí na vzájemném vztahu bitové rychlosti datového signálu a čipové rychlosti rozprostíracího kódu. Kvantitativně je rozprostření signálu popsáno tzv. činitelem rozprostírání SF (Spreading Factor), definovaném jako poměr čipové rychlosti rozprostíracího kódu a bitové rychlosti datového signálu nebo také jako počet čipů připadajících na jeden bit datového signálu. Systém UMTS používá SF v rozsahu 4 až 512. Kódování kanálů se používá za účelem rozlišení různých datových signálů (uživatelských kanálů), které jsou vysílány z jednoho zdroje. Přitom každý uživatelský kanál musí používat jiný rozprostírací kód. 19

20 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra bit čip Rozprostírací kód (čipová rychlost) Spektrum úzkopásmového signálu Datový signál (bitová rychlost) P Součtový obvod XOR Rozprostřený signál (čipová rychlost) P Spektrum širokopásmového signálu f f Obr. 8 Příklad rozprostření signálu technikou DS-SS Skramblování se používá ke vzájemnému oddělení signálů vysílaných z různých zdrojů, například UEs (User Equipments) v uplinku nebo Node Bs v downlinku. Poněvadž čipová rychlost PN kódů je stejná jako čipová rychlost OVSF kódů, nedochází při skramblování ke změně přenosové rychlosti signálu. Blokové schéma zpracování signálů v systému UMTS je nakresleno na obr. 9. Datový signál 1 Bitová rychlost OVSF 1 Kódování kanálů (Channelization) PN kód VYSÍLAČ OVSF n Čipová rychlost 3,84 Mchip/s Skramblování (Scrambling) Čipová rychlost VF modulátor Datový signál n Bitová rychlost Kódování kanálů (Channelization) Datový signál 1 Bitová rychlost OVSF 1 Dekódování kanálů (Dechannelization) PN kód PŘIJÍMAČ OVSF n Čipová rychlost 3,84 Mchip/s Deskramblování (Descrambling) Čipová rychlost VF demodulátor Datový signál n Bitová rychlost Dekódování kanálů (Dechannelization) Obr. 9 Blokové schéma zpracování signálu v systému UMTS Poněvadž čipová rychlost v systému UMTS je konstantní, má změna SF (tedy změna Walshova kódu) přímý vliv na uživatelskou přenosovou rychlost signálu. Při větším SF je 20

21 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra menší uživatelská přenosová rychlost signálu, avšak větší zisk rozprostírání snižuje citlivost přenosu k interferencím. Naopak při menším SF je uživatelská přenosová rychlost větší, ale citlivost přenosu k interferencím se zvyšuje z důvodu menšího zisku rozprostírání. Pro rozlišení signálů je v systému UMTS přidělen každému Node B a každému UE jedinečný skramblovací kód. Všechny signály jsou tedy ve stejném čase přenášeny stejným rádiovým kanálem, avšak jejich rozlišení je provedeno jedinečným skramblovacím kódem. Tímto se systém UMTS (obecně systémy CDMA) výrazně odlišuje například od systému GSM, který každému uživateli přidělí pro komunikaci určitý rádiový kanál a v něm určitý timeslot. V každém okamžiku je tedy v jednom rádiovém kanálu signál pouze jednoho uživatele. U systému UMTS jsou v downlinku rozlišeny skramblovacími kódy jednotlivé Node Bs (buňky) a podobně v uplinku jsou těmito kódy rozlišeny jednotlivé UEs. Počet ortogonálních Walshových kódů používaných v systému UMTS je však omezen. Například libovolný Node B může realizovat pouze omezený počet spojení, a to v rozsahu od 4 (pro SF = 4) do 512 (pro SF = 512), tj. používá omezený počet ortogonálních kódů Vývoj systému UMTS V rámci partnerského projektu 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) byly prováděny další postupné úpravy a vylepšení systému UMTS. Popisy nových úprav systému UMTS jsou vydávány přibližně každý rok v doporučeních 3GPP (Releases). Dosavadní vývoj systému UMTS (3G) k systému LTE Advanced (4G) je přehledně znázorněn na obr. 10. V systému HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) je již používán pouze paketový přenos. Pro přenos hlasu používá systém protokol SIP (Session Initial Protocol), pro přenos dat protokoly IPv4, resp. IPv6. Implementaci lze jednoduše realizovat softwarovou úpravou. Technologie HSDPA umožňuje výrazné zvýšení přenosové rychlosti v downlinku až na 14,4 Mbit/s v jedné buňce (reálně dosahuje uživatel cca 1,8 Mbit/s). V rámci Release 5 jsou stanoveny celkem čtyři verze HSDPA, které se liší maximální přenosovou rychlostí: 1,8 Mbit/s, 3,6 Mbit/s, 7,2 Mbit/s a 14,4 Mbit/s. Vyšší rychlosti je dosaženo především využitím vícestavové modulace (QPSK, 16QAM), přidáním dalších kanálů, rychlým přidělováním rádiových prostředků atd. 4G 3,9G 3,9G 3,75G Release 7. Release 6 3,5G.. Release 5 Release G Release Release Release 11. Release UMTS HSUPA HSUPA+ HSDPA, IMS LTE LTE Advanced Vývoj systémů Obr. 10 Jednotlivé etapy vývoje systému UMTS k systému LTE Advanced Technologie HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) umožňuje zvýšení přenosové rychlosti v uplinku až na 5,76 Mbit/s pro jednu buňku (reálně dosahuje uživatel 1,4 Mbit/s). Nově také umožňuje spolupráci 3GPP systémů se sítěmi WLAN (způsoby řešení - scenario 1 21

22 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra až 6). Implementace technologie HSUPA je opět pouze softwarovou záležitostí. Využívají se obdobné úpravy jako u HSDPA, tj. přidání dalších přenosových kanálů, rychlé přidělování rádiových prostředků atd. Technologie HSPA+ (High Speed Packet Access +) využívá všech vylepšení, která byla do systému UMTS implementována. Obě používané technologie HSDPA a HSUPA, pro zlepšení přenosu signálu v downlinku a uplinku, jsou na sobě zcela nezávislé a v praxi mohou být do systému implementovány odděleně. Technologie HSPA+ využívá HSDPA a HSUPA současně a navíc umožňuje využití účinnější modulace a techniky MIMO 2x2 (Multiple Input Multiple Output). Umožňuje použít i vyšší čipovou rychlost 7,68 Mchip/s. V downlinku (HSDPA) je použita modulace 64QAM, kdy jeden stav nosné reprezentuje 6 bitů. Ve srovnání s původně používanou modulací 16QAM, kdy jeden stav nosné reprezentuje 4 bity, tak dochází ke zvýšení přenosové rychlosti datového signálu o 50%. Modulace 64QAM však vyžaduje, pro přenos signálu s definovanou chybovostí BER, přenosové prostředí s poměrem C/I alespoň 27 db. Proto není tato modulace používána v celé buňce, ale pouze v blízkosti Node B, kdy je možné dosáhnout přenosové rychlosti až 21,6 Mbit/s. V uplinku (HSUPA) je možné používat i modulaci 16QAM, což umožňuje zvýšit přenosovou rychlost až na 11,5 Mbit/s. Technika MIMO obecně využívá několik vysílacích a několik přijímacích antén, mezi kterými dochází k přenosu signálu různými nezávislými cestami. Počet přijímacích antén n R by měl být nejméně roven počtu vysílacích antén n T, v praxi však obvykle platí nr nt n. Každá anténa plní funkci vysílací i přijímací. Přenos z i-té vysílací antény do j-té přijímací antény je vyjádřen koeficientem h ij. Přenosový systém MIMO je potom popsán maticí kanálu H. Z každé vysílací antény je vysílán jedinečný datový signál, a to ve společném rádiovém kanálu, tj. na stejné nosné. V ideálním případě by jednotlivé vysílané signály měly mít nulovou vzájemnou korelaci. Pro rozlišení těchto signálů na přijímací straně jsou signály pro každou vysílací anténu před modulací kódovány vhodnými ortogonálními kódy. Signály se do přijímacích antén mohou šířit po přímých drahách nebo i odrazem od různých překážek. Do každé přijímací antény tak může přijít směs signálů ze všech vysílacích antén. V přijímači jsou signály nejdříve selektivně odděleny, následně demodulovány, dekódovány a potom se jejich vhodnou kombinací vytvoří výstupní signál. Technika MIMO tak umožňuje umělým vytvořením většího počtu přenosových cest v jediném rádiovém kanálu dosáhnout výrazné navýšení přenosové kapacity ve srovnání s klasickými systémy SISO. Pomocí tohoto tzv. prostorového multiplexování signálů je tedy možné přenést různé datové toky současně, přičemž tyto datové toky mohou patřit jednomu uživateli (single user MIMO, SU-MIMO) nebo různým uživatelům (multi user MIMO, MU- MIMO). Prostorové multiplexování lze využít pouze v případě, kdy to rádiový kanál umožní. Technologie HSPA+ podporuje techniku MIMO, a to pouze v downlinku (HSPDA) a jen s modulací QPSK nebo 16QAM. Použitím MIMO 2x2 se přenosová rychlost v downlinku zvýší až na 28 Mbit/s. 4. Systém LTE Systém LTE (The Long Term Evolution of UMTS) je jedním z posledních kroků ve vývoji mobilního systému UMTS. Jeho specifikace byly vydány pod označením Release 8 v roce Systém je ryze paketový (nepoužívá již komutovaný přenos), založený na protokolu IP, přesněji na protokolu MIP (Mobile IP). Výhodou je malá odezva na rádiovém rozhraní (< 10 ms), spektrální účinnost (3-4x vyšší než HSPA) a především vyšší přenosová rychlost signálu, dosahující hodnot až stovky Mbit/s. 22

23 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra 4.1. Architektura systému LTE Struktura sítě se skládá ze dvou základních částí, tzv. páteřní sítě EPC (Evolved Packet Core) a přístupové sítě E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), obr. 11. Ve struktuře systému dochází k výrazné změně, a to směrem k vyšší inteligenci základnové stanice, která je označována enode B (evolved Node B). Rádiová přístupová síť E-UTRAN zajišťuje propojení mezi paketovou sítí EPC a jednotlivými UEs. Obsahuje základnové stanice enode B, které zajišťují komunikaci s UEs přes rádiové rozhraní označené U u. Každý enode B plní funkci základnové stanice i řídicí jednotky rádiové sítě. Zajišťuje rádiové zdroje, pokrytí dané oblasti rádiovým signálem a přiděluje rádiové prostředky podle požadavků kvality služeb QoS. Provádí měření úrovně signálu i interferencí a na základě těchto údajů a obdobných údajů z UE rozhoduje o provedení handoveru. Uživatelské zařízení UE (User Equipment) se skládá z několika částí. SIM karta může být ve formě USIM (UMTS SIM) nebo ISIM (IP Multimedia Subsystem SIM) nebo může být společná UICC (UMTS Integrated Circuit Card). Mobilní zařízení ME (Mobile Equipment) zajišťuje rádiové připojení do sítě, ověřování identifikace, provedení autentifikace, komunikaci se SIM, aktivaci a deaktivaci podle požadavku terminálu, bezpečnost přenosu apod. Terminál TE (Terminal Equipment) obsahuje reproduktor, mikrofon, snímač obrazu, displej, operační systém, LTE ovladače, aplikace. Části ME a TE mohou být integrovány do jednoho zařízení nebo mohou být odděleny, například při použití notebooku. Uživatelská zařízení UE se rozdělují podle maximálních přenosových rychlostí a podle maximálního výkonu do několika tříd. UE U u U u UE U u UE E-UTRAN enode B X2 enode B X2 enode B S1-MME S1-U S1-MME S1-U S1-U S1-MME EPC MME S-GW HSS P-GW PCRF SAE-GW Externí paketové sítě Internet Obr. 11 Architektura sítě LTE 23

24 4.2. Přenos signálu S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Pro downlink a uplink se v systému LTE používají různé způsoby multiplexování (přístupové techniky). Pro uplink se používá SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access), pro downlink se využívá OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) s konstantním rozestupem subnosných 15 khz, který nezávisí na šířce pásma rádiového kanálu. Důvodem pro použití přístupu OFDMA v downlinku je vyšší spektrální účinnost, odolnost signálu při průchodu únikovým rádiovým kanálem, škálovatelnost pásma, jednodušší implementace MIMO, koordinace subnosných apod. 0,5 ms 1 slot PRB N subnosných 12 subnosných zdrojový element M symbolů Obr. 12 Fyzický zdrojový blok PRB Fyzický zdrojový blok PRB je základní kmitočtově časovou jednotkou v systému LTE a obsahuje 12 subnosných umístěných vedle sebe pro jeden časový slot délky 0,5 ms, obr. 12. Je to nejmenší zdrojový blok přiřazený enode B pro kmitočtové plánování (180 khz x 0,5 ms). Každý PRB se skládá ze zdrojových elementů, z nichž každý reprezentuje jednu subnosnou po dobu jedné symbolové periody OFDM (DL) nebo SC-FDMA (UL). kmitočtová oblast časová oblast datový tok FEC, prokládání mapovací obvod m m-bitový symbol demultiplexer (převod SPC) m m m IFFT OFDM symbol multiplexer (převod PSC) vložení CP převod D-A Obr. 13 Zpracování signálu LTE v downlinku (OFDMA) převod do vf pásma Zpracování signálu v downlinku je znázorněno na obr. 13. Datový signál, podrobený kanálovému kódování FEC a prokládání, je mapován do m-bitových symbolů podle použité digitální modulace (QPSK, 16QAM, 64QAM). V sériově paralelním převodníku SPC 24

25 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra se vytvoří OFDM symboly, které jsou přiváděny na vstupy procesoru, realizujícího transformaci IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Každý OFDM symbol tvoří N vzorků (každý vzorek je vyjádřen m bity), které reprezentují uvažovaný signál v kmitočtové oblasti. Výsledkem transformace je opět N vzorků, které však nyní reprezentují uvažovaný signál v časové oblasti. Po paralelně sériovém převodu PSC je do signálu vkládán CP (Cyclic Prefix), který omezuje vliv ISI (Inter Symbol Interference) a ICI (Inter Carrier Interference). Po digitálně analogovém převodu D-A je signál OFDM v základním pásmu (Base Band). Následuje konverze signálu do vysokofrekvenčního pásma (obvykle ještě přes mezifrekvenční pásmo), jeho výkonové zesílení a vyzáření anténou do rádiového prostředí. časová oblast kmitočtová oblast časová oblast datový tok FEC mapovací obvod m m-bitový symbol demultiplexer (převod SPC) m m m FFT mapování symbolů na subnosné IFFT vložení CP multiplexer (převod PSC) převod D-A převod do vf pásma SC-FDMA symbol lokalizovaný přenos f lokalizovaný přenos subnosných distribuovaný přenos subnosných distribuovaný přenos f Obr. 14 Zpracování signálu LTE v uplinku (SC-FDMA) V uplinku používá systém LTE přístup SC-FDMA. Důvodem byl prioritní požadavek na nízký odběr UE a s tím spojené nízké provozní náklady. Při použití OFDMA by v důsledku velkého PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) nemohly být uvedené požadavky splněny. Velká hodnota PAPR klade také zvýšené požadavky na vysokofrekvenční výkonové zesilovače, které musejí být lineární, což by navíc způsobilo komplikace při konstrukci UE. Výhody přístupu SC-FDMA jsou tedy nízký PAPR, lepší účinnost vysokofrekvenčního výkonového zesilovače a nižší odběr UE. Při vytváření signálu se využívá modulace OFDM s rozprostíráním signálu pomocí diskrétní Fourierovy transformace DFT-S-OFDM (Discrete Fourier Transform Spread OFDM), obr. 14. Úprava blokového schématu modulátoru spočívá tedy v zařazení signálového procesoru (před blok IFFT), který provádí diskrétní Fourierovu transformaci DFT, nejčastěji FFT. Každý datový symbol je tak rozprostřen na všechny subnosné, a tím je zamezeno zvyšování PAPR. Hodnota PAPR se tedy blíží hodnotě při použití jedné nosné. Mobilní systémy popsané v předchozích kapitolách se používají k vytvoření celoplošných sítí WWAN. S těmito buňkovými sítěmi může být pokryto teoreticky nekonečně rozlehlé území. 25

26 5. Systém Wi-Fi S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Pro pokrytí území s menší rozlohou se používají mobilní systémy řazené do skupiny s označením WLAN. K nejrozšířenějším patří systémy podle standardů IEEE Celosvětově jsou tyto systémy známé pod označením Wi-Fi (Wireless Fidelity), i když toto označení není z hlediska vývoje zcela přesné. Využívají se především pro mobilní přístup k síti Internet. Technologie Wi-Fi je nedílnou součástí vybavení notebooků a mobilních telefonů. Původní systém podle standardu IEEE byl vytvořený v roce 1997 jako bezdrátová alternativa k pevným sítím typu Ethernet. Vývoj tohoto systému však pokračoval rychlým tempem a v poměrně krátké době bylo vytvořeno velké množství různých verzí, jejichž označení se liší pouze malým písmenem latinské abecedy. Přehled nejpoužívanějších standardů IEEE je uveden v tab. 1. Tab. 1: Přehled nejpoužívanějších standardů IEEE Standard IEEE Rok vydání standardu Kmitočtové Pásmo [GHz] Přenosová rychlost [Mbit/s] Modulace Poznámka ,4 1; 2 DBPSK a DQPSK Barkerovo kódování b ,4 1; 2; 5,5; 11 DBPSK a DQPSK Barkerovo kódování g ,4 max. 54 DBPSK až 64QAM OFDM a max. 54 BPSK až 64QAM OFDM n ,4 nebo 5 max. 540 DBPSK až 64QAM OFDM, MIMO Většina těchto systémů pracuje v bezlicenčním kmitočtovém pásmu 2,4 GHz, označovaném zkratkou ISM (Industrial, Scientific, Medical). Provoz bezdrátových zařízení v tomto pásmu nemusí schvalovat Český telekomunikační úřad (ČTÚ), avšak zařízení nesmí překročit maximální vyzářený výkon (EIRP) 100 mw a maximální výkonovou spektrální hustotu 10 dbm / 1 MHz. Kromě systémů Wi-Fi pracují totiž v pásmu ISM i systémy Bluetooth, ZigBee, kuchyňské mikrovlnné trouby a další průmyslová zařízení, včetně lékařských diagnostických přístrojů. První specifikace standardu definovala v roce 1997 tři typy fyzické vrstvy: FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum) a přenos infračerveným zářením IR. Při revizi standardu v roce 1999 a 2003 byly tyto vrstvy doplněny o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) a HR/DS-SS (High Rate DS-SS). Ve všech systémech Wi-Fi je tedy používána technika rozprostřeného spektra. FH-SS Podle pseudonáhodné sekvence se mění nosná vysílaného signálu. Šířka pásma rádiového kanálu je obvykle 1 MHz. Technika FH-SS bylo z novějších standardů vyřazena. DS-SS Přímé rozprostření signálu pseudonáhodnou sekvencí do šířky pásma 20 MHz. Původní standard definuje fyzickou vrstvu DS-SS o rychlosti 2 Mbit/s, standard b přináší zvýšení rychlosti až do 11 Mbit/s (HR/DS-SS). OFDM Spektrum výsledného signálu OFDM obsahuje velké množství subnosných, jejichž kmitočty splňují podmínku ortogonality (odstup sousedních subnosných je roven převrácené hodnotě symbolové periody). Datový signál modulovaný na každou subnosnou (BPSK až 64QAM) má relativně malou přenosovou rychlost. Přenosová rychlost výsledného signálu je dána součtem přenosových rychlostí dílčích signálů na všech subnosných. Tuto techniku používá standard a (5 GHz) a od roku 2003 i standard g (celkový počet subnosných je 52, jejich kmitočtový odstup je 312,5 khz). 26

27 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Výrazné zvýšení přenosové rychlosti signálu u standardu n je dosaženo využitím možností technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output), která významně zvyšuje průchodnost dat v rádiovém prostředí a tím i kapacitu systému bez nutnosti rozšíření kmitočtového pásma rádiového kanálu a bez zvýšení výkonu vysílaného signálu. Využívá soustavy několika vysílacích a několika přijímacích antén (v praxi zatím pouze 2x2, 4x4). Všechny vysílací antény vysílají současně ve stejném rádiovém kanálu, ale každá anténa vysílá jiný datový signál. Proto musí být signály každého dílčího vysílače vhodným způsobem kódovány v kodéru MIMO, např. ortogonálními kódy, zavedením časového ofsetu (Space Time MIMO prostorově časová diverzita), případně se použijí různé modulace apod. Pokud jsou vysílací antény dostatečně od sebe vzdálené, jsou vysílané signály vzájemně málo korelované (v ideálním případě jsou nekorelované), což je nutná podmínka pro zvýšení celkové přenosové rychlosti signálu. Každá přijímací anténa může přijímat signály od všech vysílacích antén. Přijímané signály mohou přicházet po přímých drahách, ale i po drahách vytvořených odrazem signálu od různých překážek. Přijímač signály selektivně oddělí, demoduluje, dekóduje a vhodnou kombinační metodou vytváří výsledný signál. 6. Systém Bluetooth Systém Bluetooth je typickým představitelem mobilních systémů pro vytváření sítí WPAN. Je definován standardem IEEE a ETSI HiperPAN. Původně byl vyvinut jako náhrada kabeláže propojující zařízení IT (např. PC, tiskárnu, skener apod.). V současné době se využívá i k propojení jiných zařízení, např. notebooků, mobilních telefonů apod. do vzdálenosti až 100 metrů, podle výkonové třídy. K přednostem systému patří nízký vysílací výkon, bezpečnost a robustnost přenosu a nízká spotřeba terminálů. Od svého vzniku v roce 1998 se systém Bluetooth postupně vyvíjel a vznikaly jeho novější verze, které jsou vždy zpětně kompatibilní s verzemi předchozími, tab. 2. Systém Bluetooth pracuje v kmitočtovém pásmu ISM 2,4 GHz. V Evropě se používá 79 rádiových kanálů s šířkou pásma 1 MHz. Využívá se kmitočtového skákání FH-SS, kdy se během jedné sekundy provede 1600 přeskoků (přeladění) mezi používanými nosnými. Doba vysílání na jedné nosné je 625 s. Minimálně 2 a maximálně 8 zařízení (terminálů) Bluetooth může vytvářet malé síťové struktury označované názvem pikonet (piconet - pikosíť). Využívá se topologie ad hoc (komunikace point to point nebo point to multipoint), případně topologie scatter ad hoc (rozptýlená topologie ad hoc ). Jednotlivé terminály jsou si rovnocenné a neexistuje mezi nimi žádná hierarchie. Avšak terminál, který první iniciuje sestavení sítě, se stává řídící jednotkou (master) a plní řídicí funkce. Provádí identifikaci uživatelů, zajištění jejich vzájemné synchronizace apod. Ostatní terminály se stávají podřízenými jednotkami (slave). Každá síť má svoji vlastní pseudonáhodnou sekvenci, která je dána řídicí jednotkou. 27

28 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra Tab. 2: Přehled nejdůležitějších verzí systému Bluetooth Verze Bluetooth Rok vydání standardu a b Základní popis První verze standardu obsahující definici Basebandu a Link Manager protokolu První veřejně dostupná verze standardu, interoperabilita mezi výrobci Problémy s interoperabilitou mezi různými výrobci, další rozšíření standardu Oprava většiny chyb verze 1.0b, přidána podpora nešifrovaných signálů, indikátor velikosti přijímaného signálu (RSSI), řízení výkonu Zvýšená odolnost proti nežádoucím interferencím, zvýšená kvalita přenosu signálu v audio kanálech EDR 2004 Zvýšená rychlost přenosu při použití EDR EDR Vylepšený proces párování, nižší spotřeba energie, podpora NFC (Near Field Communication) Vylepšení řízení výkonu EPC, spolupráce se systémy Wi-Fi Menší spotřeba energie, podpora šifrování AES-128 Základní parametry FH, GFSK, 1 Mbit/s FH, GFSK, 1 Mbit/s FH, GFSK, 1 Mbit/s FH, GFSK, 1 Mbit/s FH / AFH, GFSK, 1 Mbit/s FH / AFH, GFSK (1 Mbit/s), pi/4 DQPSK (2 Mbit/s), 8 DPSK (3 Mbit/s) FH / AFH, GFSK (1 Mbit/s), pi/4 DQPSK (2 Mbit/s), 8 DPSK (3 Mbit/s) 24 Mbit/s 24 Mbit/s Každé mobilní nebo pevné zařízení, které je součástí sítě pikonet, obsahuje terminál, v němž je umístěn rádiový vysílač a přijímač, včetně procesoru základního pásma, obr. 15. TERMINÁL BLUETOOTH Rádiová část 2,4 GHz Procesor Zpracování signálu v základním pásmu Interface Komunikující zařízení Obr. 15 Blokové schéma terminálu Bluetooth Podle výkonu vysílaného signálu a tedy i podle dosahu se terminály Bluetooth rozdělují do tříd: třída 1, výkonová úroveň 20 dbm, dosah do 100 metrů, třída 2, výkonová úroveň 4 dbm, dosah do 10 metrů, třída 3, výkonová úroveň 0 dbm, dosah do 1 metru. Pro komunikaci mezi terminály se požívá časový duplex TDD. V každém rádiovém kanálu jsou vytvořeny timesloty délky 625 s, které jsou číslovány od 0 do Jeden cyklus má délku 2 27 timeslotů. Řídicí jednotka vysílá v každém sudém timeslotu, podřízená jednotka v každém lichém timeslotu. 28

29 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra 7. Vývojové trendy v mobilních komunikacích Při vývoji nových mobilních systémů lze vysledovat následující trendy: přechod pouze k paketovým systémům (UMTS využívá PS i CS), využívajících IP (MIP), změna struktury sítě směrem k vyšší inteligenci základnové stanice - základnová stanice s IP řadičem (IP Router) tvoří nový prvek sítě Radio Router, datový provoz bude převážně asymetrický (využívání TDD i FDD s vyšší kapacitou pro downlink), kmitočtová pásma systémů se posouvají k vyšším kmitočtům (možnost využití větší šířky pásma, avšak problémy se šířením signálu), používání přístupů OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access), MC-CDMA (Multi Carrier Code Division Multiple Access), MC-DS-CDMA (MC-Direct Sequence-CDMA) aj. (výhody: vysoká spektrální účinnost, odolnost vůči impulznímu rušení, lepší vlastnosti při mnohocestném šíření signálu - nevýhody: modulovaný signál nemá konstantní obálku, problém PAPR), využití kognitivního rádia prohledávání rádiového spektra a využití volných kmitočtových pásem pro další komunikaci v určitém časovém intervalu, využití softwarového rádia - snaha posunout digitální zpracování signálu ke vstupu přijímače (řešení problémů koexistence několika mobilních systémů - jeden terminál pro několik systémů), potlačení interferenčních signálů použití antén s tvarováním vyzařovacích charakteristik pomocí adaptivních algoritmů pro časově prostorové zpracování signálů, sledování požadovaného signálu, a další. Za celoplošný (WWAN) mobilní systém budoucnosti lze považovat systém LTE- Advanced, který se řadí do skupiny systémů 4G. Oproti LTE má systém LTE-Advanced 3x vyšší spektrální účinnost a latence se snížila na hodnotu 5 ms. Využívá opět přístupové techniky OFDMA a SC-FDMA. Technika MIMO se v downlinku rozšiřuje na MIMO 8x8 s využitím MU-MIMO (Multi User MIMO), kde jsou paralelní datové toky přenášené k různým UEs prostorově odděleny. V uplinku je technika MIMO rozšířena na MIMO 4x4 s využitím SU-MIMO (Single User MIMO), kde jsou všechny paralelní toky vysílány k jednomu enb. V systému LTE-Advanced lze dosahovat v downlinku rychlosti 1 Gbit/s, v uplinku 0,5 Gbit/s, při pohybu UE do 15 km/h. Maximální rychlost pohybu UE je 500 km/hod. Pro dosažení vysokých přenosových rychlostí signálu je nutná větší šířka pásma, kterou systém zajišťuje metodou sdružování nosných, kdy jednotlivá kmitočtová pásma jsou sloučena do jednoho výsledného pásma. Systém LTE-Advanced využívá k rozšíření pokrytí území i femtobuňky označované také Home enode B. Jsou to buňky s poloměrem maximálně několik desítek metrů, které mohou být umístěny i ve větší buňce. Pro spojení enb se sítí se využívá pevné internetové připojení, například ADSL, přes bránu HeNB GW (Home enode B Gateway). Za mobilní systém budoucnosti je považován i systém HAPS (High Altitude stratospheric Platform station System). Umožní přenos multimediálních signálů a bude vhodný nejen pro mobilní terminály, ale i pro přenosná a pevná zařízení. Na rozdíl od současných systémů, které mají základnové stanice rozmístěny na zemském povrchu, jsou základnové stanice BS (tzv. platformy) umístěny ve stratosféře, přibližně ve výšce 20 km. 29

30 S. Hanus: Mobilní komunikace dnes a zítra BS Optické spoje BS BS BS Pásmo mm vln Obr. 16 Využití systému HAPS Vzájemná komunikace mezi základnovými stanicemi BS bude prováděna optickými spoji, zatímco komunikace s mobilními uživateli bude uskutečněna v pásmu mm vln. Typická přenosová rychlost signálu pro uživatelská zařízení bude 25 Mbit/s. U pevných nebo přenosných zařízení, kdy budou použity antény s vyšším ziskem, bude přenosová rychlost signálu dosahovat rychlosti až několika stovek Mbit/s. Literatura: [1] BOSTELMANN, G.; ZARITS, R. UMTS Design Details & System Engineering. INACON GmbH, Germany, s. ISBN [2] SESIA, S.; TOUFIK, I.; BAKER, M. LTE The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice. John Wiley, s. ISBN [4] HANUS, S. Bezdrátové a mobilní komunikace. Skripta FEKT VUT v Brně. Brno: T-Mobile CZ a.s., 2003, 134 stran. ISBN [5] HANUS, S. Nové technologie mobilních komunikací pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO. Elektronické skriptum. Brno: FEKT VUT v Brně, ISBN

31 J. Háze: Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů POTŘEBY TRHU PRÁCE ČR A EU A PERSPEKTIVA SŠ A VŠ PŘI SOUČASNÉM PROPADU POČTU ABSOLVENTŮ TECHNICKÝCH OBORŮ Jiří Háze Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně Technická 10, , Brno haze@feec.vutbr.cz Abstrakt: Problému poklesu studentů a tedy i absolventů středních a vysokých technických škol čelí stále více průmyslových firem. Tento pokles je způsoben celou řadou faktorů, mezi které zejména patří negativní demografický vývoj populace v České republice, slučování nebo přímo uzavíraní středních odborných škol a také malý zájem dětské populace o studium technických oborů a věd. Kombinace uvedených důvodů dostává celý systém v oblasti technického vzdělávání do velmi nebezpečné situace, kdy již nyní akutně chybí na trhu práce velké množství kvalifikovaných technicky vzdělaných odborníků, a to nejen s vysokoškolským diplomem, ale také z odborných středních škol a učilišť. Příspěvek se snaží pojmenovat hlavní příčiny nastalé situace a zejména navrhnout možná řešení, která se ale bez politické vůle těžko podaří prosadit. 1. Úvod Na začátek tohoto příspěvku si dovoluji uvést krátké citace několika článků ze zpravodajských portálů. Již název článku České hospodářství čeká nedostatek absolventů [1] na webu Novinky.cz z vypovídá, jak moc nepříznivě vnímají zástupci firem propad v počtu absolventů technických oborů. Viceprezident Hospodářské komory České republiky Zdeněk Somr po setkání se zástupci zaměstnavatelů a vzdělavatelů k problematice odborné přípravy a praxe ve firmách doslova prohlásil: Během následujících patnácti let bude na českém trhu práce chybět absolventů. Uvedený problém popisoval v listopadu 2012 Marek Pagáč na webu Průmysl.cz s komentářem Nedostatek absolventů s technickým vzděláním pocítíme v blízké době [2]. I zde je zřejmá silná obava z nedostatku technicky vzdělaných absolventů, což může velmi vážně ohrozit český průmysl a tedy i domácí ekonomiku. Problém se samozřejmě snaží řešit také dotčená ministerstva. Například Ministerstvo průmyslu a obchodu avizovalo [3], že bude podporovat firmy, které zaměstnávají studenty technických oborů formou daňových úlev. Tento výčet by mohl být daleko větší, nicméně je zřejmé, že bez společenského, ekonomického a zejména politického konsensu a podpory nebude možné tento negativní stav napravit. V dalších kapitolách tohoto příspěvku budou blíže rozebrány hlavní příčiny popsané situace a samozřejmě bude naznačena cesta, jak se s nimi vypořádat. 2. Demografický vývoj Nesporně hlavním důvodem poklesu absolventů středních a vysokých technických škol je negativní demografický vývoj české populace. Z grafu na obr. 1 je predikce vývoje počtu 31

32 J. Háze: Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů obyvatel České republiky do roku Vzhledem k aktuálním přehledům, které vydal Český statistický úřad [4], kdy celkový počet obyvatel České republiky klesl, lze konstatovat, že tzv. vysoká varianta není reálná. Obě další cesty bohužel vykazují pokles, který se již výrazně projevuje ve snižujícím se počtu studentů, kteří přicházejí na střední resp. vysoké školy. Obr. 1. Vývoj počtu obyvatel České republiky do roku 2030 [4] Ještě více se tento trend ukazuje na křivce populačně mladých ročníků, tedy budoucích maturantů, jak ukazuje obr. 2. Předpokládaný narůst započatý v roce 2018 (děti tzv. Husákových dětí) však nevykompenzuje dramatický pokles, který již několik let probíhá. Očekává se, že se počty maturantů v roce 2025 ustálí na cca 80 % stavu v roce 2008 a budou opět, tentokrát již nenávratně klesat. Jak velký bude tento pokles, však nelze v dnešní době odhadnout. Jediným východiskem z této nepříjemné situace je skutečná a aktivní prorodinná politika české vlády, tedy silná podpora rodin s malými dětmi a to jak v oblasti finanční (daňové úlevy), sociální (příspěvek na mateřskou dovolenou, porodné, příspěvky na děti, na jejich vzdělání apod.), i v oblasti zaměstnání (dostatek míst ve školkách, firemní školky a jiné formy hlídání dětí) tak, aby rodiče neměli problém se získáním resp. návratem do zaměstnání. 32

33 J. Háze: Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů Obr. 2. Vývoj počtu maturantů do roku Zájem mladé generace o technické obory Kromě negativního demografického vývoje je velmi kritickým faktorem (ne)populárnost technických studijních oborů. Současná mladá generace dětí se stále méně zajímá o techniku, jak co funguje a na vše nahlíží pouze z pohledu spotřebitele. Dříve populární bastlení, stavění různých konstrukcí ze stavebnic jako je například Merkur apod. již tak netáhnou jako starší generace obyvatelstva. Studenti v čím dál větší míře volí buď tzv. cestu nejmenšího odporu k získání středoškolského vzdělání nebo vysokoškolského titulu a proto volí soukromé vysoké školy nebo školy s menší náročností na znalosti a schopnosti studentů. Druhou variantou je volba humanitního oboru, který je podle jejich názoru prestižní (právník, lékař, učitel, manažer) nebo opět nenáročný na čas a práci z hlediska náročnosti na studium (filozofické a sociologické obory). V obou případech ale bohužel nastává situace, kdy má řada absolventů uvedených oborů problém nalézt uplatnění na trhu práce a nakonec stejně končí na zcela jiné pracovní pozici, která s oborem absolventa vůbec nesouvisí. Celkové počty studentů vysokých škol podle oborů v porovnání roku 2001 a 2012 jsou uvedeny na obr. 3. Obr. 3. Počty studentů na VŠ podle oborů [5] Z porovnání obou roků je zřejmý dramatický nárůst zájmu o již zmiňované humanitní, společenské a sociální obory a to ve dvou případech o více jak 100 %. Podobnou změnu pak zaznamenaly přírodní vědy a oblast IT. Naopak o technické obory rostl zájem je asi o 10 % a 33

34 J. Háze: Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů v současnosti stagnuje. Ještě lépe problém vystihuje graf na obr. 4, ze kterého je vidět podíl pouze 26 % oborů technických, přírodovědných či oblast IT. Obr. 4. Poměrové zastoupení jednotlivých oborů na VŠ v roce 2012 [5] Podobně lze tyto rozdíly prezentovat na celkovém počtu studentů na jednotlivých vysokých školách. Počty studentů na třech největších humanitních školách jsou Univerzita Karlova, Praha , Masarykova Univerzita, Brno , Univerzita Palackého, Olomouc Naopak tři největší technické vysoké školy mají České vysoké učení technické, Praha , Vysoké učení technické, Brno , Vysoká škola báňská Technická univerzita, Ostrava Tento pomyslný zápas jednoznačně výhravají humanitní vysoké školy. Velký vliv na uvedenou situaci má také všeobecně malá informovanost ve sdělovacích prostředcích o technických oborech, jejich smysluplnosti pro společnost a například i úspěších na poli vědy. Problém malého zájmu mladé generace o studium technických škol je tedy velmi vážný a změnit tento trend bude obtížné. Mezi hlavní nástroje, které by měly tyto změny nastartovat, jsou již zmiňované sdělovací prostředky. Více než kdy jindy je nutné nabízet témata a pozitivní příběhy z oblasti technických věd tak, aby se o nich dozvídala co nejširší skupina obyvatel, aby je nutila o problému diskutovat, přemýšlet a utvářet si pozitivní názor na techniku a její obory. V návaznosti na tyto informace mohou pak rodiče směřovat své potomky více do oblasti techniky. V neposlední řadě je zde opět nutná podpora státu, tedy zdůrazňování nutnosti studovat technické obory, neboť průmysl je hlavním motorem ekonomiky a bez dostatku kvalifikovaných pracovníků se tento motor zásadním způsobem zadrhne. V tomto směru by rozhodně měly pomoci také různé finanční pobídky pro firmy, které spolupracují s odbornými technickými školami například formou zaměstnávání a stáží studentů, zapojením studentů do řešení firemních projektů apod. 4. Optimalizace počtu středních a vysokých škol Ono kouzelné zaklínadlo optimalizace má v souvislosti s prezentovaným problémem hned několik významů. Prvním je slučování středních škol do tzv. integrovaných škol z úrovně jednotlivých krajských samospráv. Tento typ optimalizace je v důsledku výše 34

35 J. Háze: Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů uvedených faktů nevyhnutelný. Bohužel v mnoha případech dochází ke slučování jen kvůli tomu, aby se něco sloučilo, aniž by to mělo oborový nebo geografický význam. Výsledkem je v mnoha případech snížení kvality vzdělávání na jedné ze součástí sloučené školy. Příkladem může být sloučení Střední průmyslové školy elektrotechnické na Kounicově ulici v Brně, školy s vynikající pověstí a dlouhou tradicí s Integrovanou školou Purkyňova Brno. Druhým významem slova optimalizace je přímo rušení některých studijních oborů a s tím opět slučování nebo rušení celé odborné školy. Typickým příkladem, který nakonec neskočil zánikem školy až po zásahu státu je Střední uměleckoprůmyslová škola sklářská v Kamenickém Šenově. Jejímu zániku resp. sloučení bylo zabráněno až po velkých protestech studentů školy, ale také veřejnosti a místní politické reprezentace [6]. Bohužel optimalizace se týká také vysokých škol s ohledem na omezení, která zavedlo MŠMT. Toto omezení je zaměřeno na počet financovaných studentů, na které vysoká škola dostává dotace. Znamená to, že pokud škola vyučuje vyšší počet studentů než je daný limit, učí je v podstatě zadarmo. Ministerstvo se tak snaží donutit vysoké školy, aby více dbaly na kvalitu studenta resp. absolventa a tedy nepřijímaly zbytečně mnoho studentů, kteří ani na vysokoškolské studium nemají předpoklady. Proti tomu ale jde požadavek na dodržování závazků tzv. indikátorů na počty vzdělávaných studentů v rámci různých evropských projektů, ale i požadavek ze strany průmyslu na dostatečný počet technicky vzdělaných absolventů. Ministerstvo totiž zavedlo limit plošně bez diverzifikace podle oborů a podle požadavků ekonomiky České republiky. I tato situace má řešení. Politická reprezentace musí reagovat na skutečnou poptávku a požadavky firem, tedy podpořit technické vzdělávání, eliminovat pseudovysoké zejména soukromé školy, kde si lze v podstatě titul koupit a podpořit průmysl k ještě hlubší spolupráci s technickými školami. 5. Závěr Na základě předchozích faktů je zřejmé, že změnit současnou nepříznivou situaci je velmi obtížné. Možné metody, jak toho dosáhnout zde byly uvedeny, ale bez dostatečně silné politické podpory a tlaku na ni ze strany průmyslu i dotčených škol k výraznější pozitivní změně nedojde. Literatura [1] Kvapil, K. České hospodářství čeká nedostatek absolventů, článek na webových stránkách Novinky.cz, [2] Pagáč, M. Komentář: Nedostatek absolventů s technickým vzděláním pocítíme v blízké době, článek na webových stránkách Prumysl.cz, [3] Jeníček, L. MPO chystá daňové úlevy pro firmy zaměstnávající studenty technických oborů, článek na webových stránkách Prumysl.cz, [4] Kretschmerová, T., Šimek, M. Populační prognóza České republiky do roku 2030, článek na webových stránkách Českého statistického úřadu, 35

36 J. Háze: Potřeby trhu práce ČR a EU a perspektiva SŠ a VŠ při současném propadu počtu absolventů technických oborů [5] Studenti a absolventi vysokých škol v České republice v roce 2012, článek na webových stránkách Českého statistického úřadu, [6] Silná, B. Studenti z Kamenického Šenova protestovali proti rušení své školy, článek na webových stránkách Novinky.cz, 36

37 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky PERSPEKTIVY ELEKTRONIKY Miroslav Husák Katedra mikroelektroniky, fakulta elektrotechnická, ČVUT v Praze, Technická 2, Praha 6 husak@fel.cvut.cz Abstrakt: Nejdříve zde byly vakuové prvky elektronky s rozměry v cm, v roce 1947 byl objeven tranzistor a v polovině roku 1948 informace o objevu uvolněna pro veřejnost, prvek s rozměrem cca 1 cm, již v roce 1949 byly realizovány první germaniové tranzistory ve střední Evropě profesorem Taucem a profesorem Frankem z Československa, v roce 1957 se objevilo první čtyř tranzistorové rádio s kapesním rozměrem vyvinuté firmou Texas Instruments, v roce 1958 první integrovaný obvod s rozměry tranzistorů cca mm, dnes rozměry a počet tranzistorů na čipu v procesorech Ivy Bridge v 22 nm technologii, zmenšování rozměrů vede ke zvyšování hustoty integrace, zvyšování rychlosti, ale objevuje se problém s uplatňováním kvantových jevů při rozměrech zhruba od 10 nm, elektronika směřuje do oblasti nanoelektroniky, ale je ještě překonat inženýrské pasti., umíme mnohé v oblasti nanotechnologií, ale neumíme zatím udělat reprodukovatelně tranzistor nebo podobnou součástku v nanotechnologiích. 1. Úvod Elektronika prožívala ve 20. století snad nejbouřlivější rozvoj ze všech odvětví od vzniku jednoduchých elektronek, přes vynález polovodičového tranzistoru na konci 40. let až po rozvoj integrovaných obvodů včetně pamětí s ultra vysokou hustotou integrace. V 90. letech se objevil pojem mikrosystémy nebo mikrosystémové inženýrství, které se od klasických integrovaných obvodů odlišovalo tím, že to již nebyla pouze čistá elektronika, ale mezioborové propojení různých energetických domén, tj. tento nově vznikající obor začal komplexně integrovat mikroelektroniku, mikromechaniku, mikrooptiku, chemii, biochemii atd. Začal tak vývoj nových kvantitativně i kvalitativně odlišných součástí s možnostmi aplikace do té doby nereálných. Dalším zmenšováním fyzikálních rozměrů struktur se dostáváme do oblasti tzv. nanotechnologií, kterým bude patřit 21. století. 2. Od mikro k nano, od MEMS k NEMS Věda a technologie umožňují realizaci mikro/nanosoučástek a systémů pro různé průmyslové aplikace, životní prostředí, spotřebitele nebo např. biomedicínské aplikace. Dnes existuje velmi široká nabídka MEMS součástek a systémů pro komerční aplikace [1]. Různé mikrostruktury nebo mikrokomponenty jsou používány v mikropřístrojích a systémech. Typickým představitelem MEMS mikrosoučástek jsou akcelerometry nebo digitálních mikrozrcadlové pole. Integrovaný křemíkový kapacitní senzor zrychlení (akcelerometr) se používá v airbag od roku Firma Texas Instruments v roce 1996 jako první zahájila 37

38 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky výrobu digitálního zpracování obrazu s využitím digitálních mikrozrcátkových polí, což umožnilo výrobu přenosných přístrojů pro digitální projekci a projektorů domácího kina, stejně jako stolní projekční televizory. Mezi další hlavní průmyslové aplikace patří senzory tlaku, inkoustové tiskové hlavy a optické přepínače. Mezi další MEMS systémy lze zařadit chemické senzory, senzory plynů, infračervené detektory a ohnisková pole pro pozorování Země, systémy pro kosmický průzkum, obranné aplikace, pikosatelity určené pro vesmírné aplikace a další. MEMS systémy jsou určeny také k využití v magnetických systémech pro ukládání dat jako super kompaktní s ultra hustotou záznamu na magnetické disky. BIOMEMS jsou další perspektivní struktury, které se stále více používají v komerčních a vojenských aplikacích [2]. K BIOMEMS lze zařadit jako typické biofluidické čipy (známé jako mikrofluidické čipy nebo biočipy) určené pro chemické a biochemické analýzy (biosenzory) v lékařské diagnostice (např. DNA, RNA, proteiny, buňky, krevní tlak a testy, identifikace toxinů), implantabilní farmaceutické léky. Biosenzory označované také jako Labon-Chip lze integrovat z různých mikrosystémových a nanosystémových součástí a pro vytvoření detekce a analýzy na jedné platformě. Biosenzory jsou navrženy pro analýzu jedné nebo více chemických látek, Tyto systémy bývají někdy označované jako μtas. Jedná se o čipy schopné zajistit automatickou manipulaci s nepatrným množstvím tekutiny v mikrokanálcích pomocí mikroventilů a mikropump. BIOMEMS aplikace umožňují realizaci minimální invazivní chirurgie, jako je endoskopická chirurgie, laserová angioplastika a mikroskopická chirurgie. S těmito technologiemi se realizují též různé implantovatelné umělé orgány. Mikronástroje a mikromanipulátory jsou používány k pohybu, přesnému nastavení polohy, charakterizace nanoměřítkových objektů. MEMS technologie umožňují realizaci miniaturizovaných analytických přístrojů, jako jsou plynové chromatografy a hmotnostní spektrometry. Technologie umožňují realizaci např. součástí pro skenovací a tunelovací mikroskopy. NEMS systémy umožňují realizaci nanokomponent, nanosoučástek, nanosystémů a nanomateriálů, jako jsou např. mikronosníky s integrovanými ostrými hroty pro mikroskopy atomárních sil (AFM), pro ukládání dat, nanolitografii, biologické (DNA) motory, molekulární zařízení, realizaci molekulárně tlustých vrstev (např. obří magnetoodporové nebo GMR hlavy a magnetická média), nanočástice, (např., nanomagnetické částice v magnetických médiích), nanovlákna, uhlíkové nanotrubice, kvantové dráty (QWRs), kvantové tranzistory [3]. BIONEMS zahrnují nanobiosenzory, tj. mikrořady křemíkových nanodrátů s rozměrem několik nm, aby se selektivně vázala a detekovala i jediná biologická molekula, jako DNA nebo bílkoviny. Nanoelektronika umožňuje detekce velmi malých elektrických nábojů na čipu nebo uhlíkové nanotrubici a tímto detekci glukózy, implantovatelné systémy pro podávání léčiv, např. mikro/nanočástic s léčivem zapouzdřeným molekulami nebo s nanoporézní membránou naplněnou léky pro dlouhodobou dodávku, nanosoučástky pro řazení jednotlivých molekul DNA, buněčný růst s využitím uhlíkových nanotrubic, např. pro "opravu" míchy, nanotrubičky pro nanostrukturní materiály pro různé aplikace, růst orgánů a růst umělé tkáně s využitím nanovláken. Nanoelektroniku lze použít k vytvoření paměti počítače, ukládání bitů jako individualních molekul nebo nanotrubiček, stejně jako molekulární přepínače, molekulární nebo nanotrubičkové tranzistory, nanotrubičkový zobrazovací panel, apod. Mikrosystémy náleží k zajímavým oblastem, ve kterých jsou již praktické výsledky využitelné v praxi, svými mikrorozměry se blíží zmíněnému nanoinženýrství. Jedná se o mezioborovou problematiku svým charakterem spojující např. mikroelektroniku, mikrooptiku, mikromechaniku, chemii, biochemii, apod. Vznikají nové produkty s rozměry řádu mikrometrů využitelné v širokém spektru aplikací, tj. od automobilů až po aplikace 38

39 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky v medicíně. Výzkum a vývoj se zaměřuje především na aplikace využitelné v medicíně, regulaci, biochemii a při monitorování životního prostředí. Např. v medicíně se pracuje na vývoji mikroanalyzátorů plynů v krvi pro implantaci do lidského těla, mikropumpy pro zlepšení funkce krevního oběhu, implantovatelných systémů pro automatické dávkování inzulínu v lidském organismu. Mikrosystémy v sobě zahrnují tři základní funkce, které jsou prezentovány příslušnými součástkami nebo systémy tyto funkce zajišťujícími. Funkce měření a snímání informace o fyzikálním nebo chemickém prostředí zajišťují mikrosenzory, působení na okolní prostředí je zajištěno prostřednictvím mikroaktuátorů a funkci inteligentního zpracování informací a řízení mikroaktuátorů zajišťují obvody zpracování signálů. Při realizaci těchto systémů se využívá technologií výroby integrovaných obvodů kombinovaných se speciálními mikrosystémovými technologiemi. Realizace mikrosystému může být provedena na jednom nebo více čipech, podobně jako jsou realizovány integrované obvody Principy využívané pro činnost MEMS a NEMS součástek Pro činnost MEMS komponent se ve velké míře využívá princip činnosti elektrostatických aktuátorů založený na coulombovském přitahování opačně nabitých těles, tj. např. desek kondenzátoru. Dielektrický průraz vzduchu závisí na vzdálenosti elektrod a roste z hodnoty intenzity elektrického pole E= V mm -1 pro makroskopické objekty až na více než E=10 5 V mm -1 pro objekty mikroskopické s rozměry přibližně 500 μm až 1 μm. Nevýhodou elektrostatických aktuátorů je nutnost relativně vysokého napájecího napětí až stovek V, např. při vzdálenosti desek 1 μm je nutné napětí 150 V pro vytvoření aktuátorového tlaku 100 kpa. V mikroskopickém režimu je energie akumulovaná v elektrostatickém poli srovnatelná s energií elektromagnetickou, v makroskopickém režimu je však elektromagnetická energie významně větší. Z těchto důvodů není praktické používat elektrostatický princip působení síly k pohybu u větších strojů, ale pro mikrostruktury se ukazuje jako výhodné využití tohoto principu, zejména u součástí vyráběných s využitím mikroelektronických technologií, např. na křemíkových substrátech. Elektrostatické systémy jsou kompatibilní s technologiemi CMOS, mají malou teplotní závislost a generují relativně velké síly při malých rozměrech systému. V porovnání s elektromagnetickými aktuátory jsou lehčí a mají výrazně menší vlastní spotřebu energie. Při řešení návrhu elektrostaticky řízených struktur RF součástek je použití analytického návrhu často velmi obtížné, protože se zde spojuje nelineární chování elektrostatické síly a mechanických vlastností struktury, proto je nutné používat metody numerické simulace s podporou vhodných softwarových prostředků [4]. Existuje mnoho způsobů a programů užívajících různé metody k návrhu těchto mikrostruktur [5]. Z hlediska dráhy pohybu způsobeného coulombovskými silami lze pohyby rozdělit na několik základních typů, které bývají v praxi velmi často různě kombinovány. Jedná se zejména o pohyb podélný, příčný, kombinace podélného a příčného pohybu. Výroba MEMS součástí je technologicky náročná, ale její velkou výhodou je reprodukovatelnost při výrobě ve velkých sériích. V mikrovlnných aplikacích MEMS součástí vykazují malé ztráty v signálové cestě a lze je využívat ve velmi širokém frekvenčním rozsahu. Některé parametry, jako např. rychlost reakce na řídicí signály, nedokáží ještě nahradit některé v současnosti používané polovodičové součástky, jako PIN diody. Dnes jsme se dostali na na práh nanoelektroniky a s tím i nanosystémů, do kterých náleží nanosenzory, nanoaktuátory (manipulátory), nanoelektronika, apod. Svět, ve kterém začínají platit nové zákony a přestávají platit klasické fyzikální zákony, na kterých byla založena klasická elektronika. Hranice mezi makro a mikro systémy je definována technologickými procesy, hranice mezi mikro a nano systémy je kvantově mechanická. V důsledku rozvoje 39

40 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky mikroelektronických technologií byl pokrok v mikroelektronice v posledních třech desetiletích charakterizován třemi základními hledisky [6]: složitost mikroelektronických obvodů charakterizovaná počtem prvků na čipu - roste 4 x za 3 roky nejmenší rozměr struktury zmenšuje se s indexem 0,5 každé tři roky zvětšování plochy čipu - 1,5x za 3 roky. Při zvyšování integrace je nutné brát v úvahu teoretické i praktické limity elektroniky založené na pohybu elektronů v elektrickém poli. Fyzické hranice atomární struktury nebo hustoty by mohlo být dosaženo v roce obr. 1 [7]. Obr. 1 Vývoj délky hradla tranzistorů [7] 3. Nanotechnologie a nanoelektronika Velmi rychle pokračující miniaturizace se zmenšováním rozměrů současných křemíkových integrovaných obvodů směřuje ke hranici mikrosvěta, za níž je nanosvět, a proto se přední světoví výrobci věnují vývoji elektronických struktur a obvodů o nanometrových rozměrech, ve kterých se ovšem dominantně uplatňují kvantové jevy. S ohledem na odlišnost struktur nanometrových elektronických součástek od dnes běžných, se předpokládá, že pro jejich návrh bude nutno vyvinout nové návrhové systémy. Teoretické odhady chování těchto součástek vedou k podstatnému (více než tisícinásobnému) zlepšení jejich parametrů, zejména pak ke zvýšení hustoty integrace, rychlosti spínání, zrychlení přenosu informace a snížení výkonové ztráty. Všechny tyto parametry splňují požadavky uživatelů na zlepšení činnosti současných počítačů, které by mohly dosáhnout např. hodnot operační rychlosti řádu Hz, hustotu integrace hradlových polí v úrovni hradel/cm 2, 3D paměti s kapacitou bit/cm 3 apod. Jako perspektivní nano a sub nano elektronické součástky se jeví struktury na bázi molekul či atomů (ART Atomic Reley Transistor, MOSES Molecular Single Electron Switch) [8]. Interdisciplinární charakter nanoelektroniky je zřejmý, neboť spojuje řadu různých vědeckých oblastí, které jsou tak rozdílné, jako např. výpočetní technika na jedné a kvantová optika na druhé straně. Interdisciplinární charakter nanoelektroniky proniká i do tak vzdáleného oboru, jako je celá oblast studia, návrhu a aplikací neuronových sítí. Protože se jedná o mezioborovou problematiku, která dnes není pouze záležitostí jenom techniků, ale stejně tak fyziků, chemiků, biologů, lékařů, matematiků, apod., je nutné, aby především tyto obory připravily teoretické a experimentální zázemí pro vývoj praktických aplikací. Je nutné řešit tuto problematiku ve společných projektech např. mezi specializovanými pracovišti. Zmenšování rozměrů výrobků a standardních stavebních prvků do atomových rozměrů s sebou přináší nejen hledání nových forem a cest výzkumu, ale také velmi složitá a drahá 40

41 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky vybavení laboratoří, která jsou často financována na mezinárodní úrovni, tj. např. v rámci evropského výzkumu. Nanotechnologií se rozumí jakákoliv technologie pracující v rozměrech nanometrů, technologie, která má aplikace v reálném světě. Nanotechnologie zahrnují výrobu a aplikace fyzikálních, chemických a biologických systémů v měřítku od jednotlivých atomů nebo molekul až po submikronové rozměry, stejně jako integrace nanostruktur do větších systémů. Věda a technologický výzkum v nanotechnologiích slibují kvalitativní průlom v oblastech, jako např. materiálové inženýrství, lékařství a zdravotní péče, energie, biotechnologie, informační technologie nebo národní bezpečnosti. Předpokládá se, že nanotechnologie budou představovat další průmyslovou revoluci 21. století. Jako stavební bloky pro výrobu 3D nanostruktur, včetně kvantových teček (nanokrystalů) libovolného průměru (asi 10 až 10 5 atomů) se používají různé mechanismy, jako např. chemická syntéza molekulárních klastrů (molekulární Self-assembly), od jednoduchých reagentů v roztoku nebo biologických molekul (např. DNA). Vakuové depozice a nerovnovážné plazmové chemické techniky jsou používány k výrobě vrstevnatých nanokompozitů a nanotrubic. Atomárně řízené struktury jsou vytvořeny s použitím molekulární svazkové epitaxe a epitaxí s organicko-kovovou plynnou fází. Mikro a nanosystémové komponenty jsou vyrobeny litografickými a nelitografickými výrobními technikami v rozsahu rozměrů od mikro až po nanometry. Vylepšování litografie umožňuje realizaci experimentálních šířek 10 nm. Mikro a nanosystémy zahrnují MEMS/NEMS (např. mikrosenzory, mikroaktuátory a zpracování signálu), mikromechatronika, optoelektronika, mikrofluidika a systémy integrace. 4. Uhlíkové nanostruktury pro elektronické komponenty Nanoelektronika a nanotechnologie jsou založeny mimo jiné i na využití nových materiálů s vlastnostmi umožňujícími realizaci nových nanoelektronických struktur. Materiály se vyznačují obvykle vysokou mechanickou pevností využitelnou např. u NEMS (nano-electromechanical-system). Významná kategorie těchto nanomateriálů je založena na uhlíku. Uhlík se vyskytuje ve více modifikacích, které se od sebe výrazně liší fyzikálními vlastnostmi. Nejznámější jsou dvě odlišné modifikace čistého uhlíku vyskytující se v přírodě, tj. tuha (grafit) a diamant. Mechanické, elektrické a jiné fyzikální vlastnosti jsou výrazně odlišné. Tuha, resp. grafit je slušný elektrický vodič, dobře vede teplo, je měkký. Diamant je izolant, vede teplo nejlépe ze všech materiálů, je nejtvrdší materiál. Fulleren náleží k méně známé alotropické formě uhlíku (synteticky vyrobené). Za jeho objev obdrželi v roce 1996 Harold Kroto, Robert Curl a Richard Smalley Nobelovu cenu. Nejstabilnější je molekula C 60. Název fulleren vznikl podle amerického architekta R. Buckminstera Fullera, který podobné struktury používal při stavbě výstavních hal. Fullereny náleží mezi nejpevnější známé materiály, jsou výrazně pevnější než ocel, mají malou hmotnost. Implantováním atomu kovu do jádra fullerenu vznikají materiály s pozoruhodnými 41

42 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky a) Obr. 2 Tranzistor FET s nanotrubicemi, a) kanál tranzistoru, b) struktura IBM tranzistoru [9] b) vlastnostmi, např. fullereny s implantací alkalických kovů vykazují supravodivost při teplotě ~18 K. C 60 má mimořádně vysoký index lomu, proto se využívá ochranných sklech. Při intenzivním osvětlení C 60 zvyšuje absorpci a tím udržuje množství prošlého světla na nízké hodnotě (optical limiting). Uhlíkové nanotrubičky (CNT) vznikají na bázi fullerenů, mají velmi vysokou pevnost, lze z nich vyrobit materiály s tvrdostí diamantu, mají velký Youngův modul pružnosti ve směru osy, průměr je 1 nm až 50 nm, délka řádově v mm (až 300 mm). V elektronice je lze využít pro realizaci vodičů, tranzistorů, paměťových prvků, přepínačů v optických počítačích, jako účinné tepelné vodiče ve výpočetní technice, jako superpevné fólie v ohebných displejích. Uhlíkové nanotrubičky lze využít k realizaci struktury tranzistoru - obr. 2. Nevýhodou je špatně reprodukovatelná technologie, protože zatím není možné manipulovat s takto malými částicemi, tj. přesná geometrie uložení struktury a nanotrubičky. Grafen jako další struktura uhlíku je vytvořená pouze z jedné nebo dvou vrstev atomů uhlíku uspořádaných do pravidelné hexagonální struktury. Jednoatomární vrstva grafenu bez příměsí vykazuje vysokou elektrickou vodivost, dvouatomární vrstva se chová podobně jako polovodič s malou šířkou zakázaného pásu, jehož vlastnosti mohou být měněny externím elektrickým polem. Elektrony v grafenu mají nejvyšší pohyblivost ze všech známých materiálů [10]. Grafen je nejtenčí a současně nejpevnější materiál na světě, 200 krát pevnější než ocel [10]. Optické vlastnosti předurčují využití grafenu v optoelektronice pro výrobu průhledných displejů. Grafen může být ideálním materiálem pro spintroniku z důvodu malé spin-orbitální interakce a absence magnetického momentu jádra uhlíku. Pozoruhodně vysoká pohyblivost elektronů při pokojové teplotě předurčuje grafen pro využití jako supravodič. Střední rychlost elektronů při vedení proudu grafenem (asi 300 km.s -1 ) mnohem vyšší, než ve standardních polovodičích (desítky až stovky m.s -1 ), v kovech se elektrony pohybují rychlostí jen několik mm.s -1. Monovrstva grafitu vede proud paradoxně mnohem lépe, než 42

43 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky souvislý krystal grafitu nebo dokonce ještě lépe, než nejlepší vodiče elektřiny [11]. Tepelná vodivost grafenu při pokojové teplotě se pohybuje v rozmezí (4,84 ±0,44).10 3 až (5,30 ±0,48).10 3 Wm 1 K 1. Elektrické vlastnosti řadí grafen do kategorie polovodičů. Chování elektronů v grafenu lze využít pro konstrukci nových typů polovodičových součástek schopných pracovat s extrémně vysokou rychlostí až do terrahertzových frekvencí. 5. Grafenové součástky pro elektroniku Grafenové tranzistory jsou teoreticky schopné pracovat s mezními kmitočty až do jednotek terrahertz, tranzistorovou strukturu lze skládat do kompaktních uspořádání. Grafenový tranzistor může být až 4x menší než nejmenší křemíkový tranzistor. Výzkum směřuje k využití grafenu v mikroprocesorech a pamětech [10]. První funkční grafenový a) b) Obr. 3 Grafenový tranzistor IBM z roku 2008, a) struktura tranzistoru, b) fotografie 26 GHz grafenového tranzistoru [12] tranzistor byl vyroben v roce 2004, ale teprve v roce 2008 se podařilo firmě IBM vyvinout polem řízený tranzistor schopný pracovat s mezními frekvencemi 26 GHz. Mezní frekvence, při které tranzistor přestává zesilovat, závisí nepřímo úměrně na délce vodivého kanálu a v tomto případě dosáhla hodnoty 26 GHz obr. 3 [12]. V roce 2011 se firmě IBM podařilo vyrobit nejmenší grafenový tranzistor s využitím 40 nm technologie a substrátu označovaného jako diamond-like carbon. Tranzistor pracuje s mezním kmitočtem 155 GHz. Předpokládá se, že by měl být využíván především v oblasti zpracování analogových signálů, umožní významné zvýšení výkonu v bezdrátových komunikacích, síťových komponentách nebo radarech. Tranzistor je vysoce teplotně stabilní a pracuje i při teplotě -268 o C. Obr. 4 Jednotranzistorový grafenový zesilovač [13] 43

44 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky Jednotranzistorový grafenový zesilovač byl vyroben v roce 2010 na University of California Riverside and Rice University. Zesilovač má lepší parametry než standardní Obr. 5 Integrovaný komplementární grafenový invertor, a) tříelektrodový systém vytvořený na stejné grafenové monovrstvě, b) fotografie z elektronového skenovacího mikroskopu vyrobeného invertoru, délka kanálu (vzdálenost elektrod) je 1 μm, c) obvodové zapojení invertoru (napájení V DD = 3,3 V), d) závislosti odporu kanálů tranzistorů na hradlovém napětí [16] zesilovače díky ambilopolárním vlastnostem grafenu. Předpokládá se jeho využití v bezdrátových a audio aplikacích, může být také použitý pro návrh jednoduchých analogových obvodů pro komunikace. Principiální obrázek jednotranzistorového grafenového zesilovače je uveden na obr. 4 [13]. Grafenový integrovaný obvod (dvoutranzistorový invertor) se podařilo vyrobit s využitím grafenové jednovrstvy. Invertor byl úspěšně testován při frekvenci vstupního signálu 10 khz. Napájecí napětí a vstupní úrovně invertoru byly 3,3 V. Na výstupu však bylo dosaženo rozdílu logických úrovní pouze 0,15 V. Frekvenční limit 10 khz je způsoben vysokou vstupní kapacitou zařízení měřicího výstupní napětí invertoru. V [14] se uvádí se možnost zvýšení frekvence vstupního signálu až na 4,5 GHz v případě zatížení invertoru dalším ekvivalentním hradlem [15]. Invertor s charakteristika mi je uvedený na obr. 5. d) 44

45 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky Integrovaný směšovač do 10 GHz představila firma IBM v červnu 2011, širokopásmový směšovač pracující na frekvenci až 10 GHz - obr. 6 [17]. Obr. 6 Fotografie z optického mikroskopu kompletního grafenového integrovaného obvodu zahrnující kontaktní vývody [17] Obvod byl navržen pro bezdrátové komunikace. Obvod pracuje jako širokopásmový směšovač, vytváří výstupní signály s různými frekvencemi (součty a rozdíly) vstupních signálů. Grafenový integrovaný obvod se směšovací frekvencí až 10 GHz má vynikající teplotní odolnost do 125 C. Grafenové procesory se podle prognóz objeví v roce 2015 a komerčně se začnou využívat v roce Grafenové paměťové články pro využití v paměťových buňkách struktury s řídicí elektrodou vytvořenou z tranzistorů lze přepínat mezi dvěma stavy (logickou 0 a 1) a struktura si tento stav uchová i po odpojení napětí na hradle [18]. Spinové paměti na grafenu - byla objevena možnost využití vkládání spinů do grafenu, jevu kterému se říká tunneling spin injection, grafen má jedny z nejlepších vlastností pro přenos spinu při pokojové teplotě. Na obr. 7a) je uveden princip toku spinů elektronů v grafenu bez použití izolantů a na obr. 7b) tok spinů elektronů v grafenu při použití vrstvy izolantu z oxidu hořečnatého [19]. Výsledkem dalšího výzkumu by mohla být paměť s mozkem (kombinace non-volatilní paměti a logiky), což lze využít do budoucna např. pro počítače, které se nebudou muset bootovat, protože si budou svůj aktuální stav neustále pamatovat. a) b) Obr. 7 Tok spinů elektronů v grafenu, a) bez použití izolantů, b) při použití vrstvy izolantu z oxidu hořečnatého [19] 45

46 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky K dalším apokacím grafenu lze přiřadit již existující ohebné displeje z grafenu, ultrakapacitní grafenové kondenzátory, baterie s grafenovými elektrodami a grafenové senzory, které umožní detekovat jednotlivé molekuly plynu vyhodnocováním lokální změnou elektrického odporu [20]. 6. Závěr co lze očekávat od zmenšování rozměrů, tj. nanotechnologií? Se zmenšujícími se rozměry struktur integrovaných obvodů a mikrosystémů se dostávají realizované součásti mikrosystémů s rozměry řádově μm postupně do oblasti rozměrů desítek nm. Trend je stálé zmenšování šířky hradla. Hraniční rozměr je cca 10 nm, kde přestává platit klasické fyzikální zákony a systémy musí být popisovány kvantovou fyzikou. Se snižováním rozměrů a zvyšováním integrace počtu prvků na čipu se začala diskutovat otázka realizace polovodičových struktur s rozměry v submikrometrové oblasti. Dnes se považuje za reálnou hranici mezi mikroelektronikou a nanoelektronikou rozměr asi 30 nm. A zde se objevuje inženýrský problém, jak překonat "inženýrský příkop mezi mikro a nano světem, tj. jak realizovat součástky s využitím nanotechnologií obr. 8. Zatím jsou hledány nové cesty, které víceméně stále kopírují staré mikromechanismy. Zřejmě bude nutné objevit nové principy, abychom mohli využít všechny přednosti nanotechnologií a nanoelektroniky. Obr. 8 Inženýrský příkop mezi mikroelektronikou a nanoelektronikou [7] Mikroelektronika je založená na pohybu nosičů elektrického náboje v elektrickém poli v polovodičových strukturách s nehomogenním rozložením koncentrace aktivních příměsí, nanoelektronika je založena na spínacích efektech na molekulární úrovni. Vývoj zmenšování rozměrů v oblasti elektronických součástek a systémů je ukázán na obr. 9, kde zkratky představují typy integrace. Obr. 9 Vývoj integrace elektronických součástek a struktur směrem k nano [7] 46

47 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky Podobně jako u elektronických součástek a struktur se zmenšování rozměrů uplatňuje u mikrosystémů /nanosystémů. Na obr. 10 je příklad zmenšování rozměrů u senzorů, které vede k nanosenzorům. Opět zkratky označují hustotu integrace, tj. rozměry součástek. Obr. 10 Vývoj zmenšování rozměrů u senzorů vedoucí k nanosenzorů [7] V současné době je pozornost věnována především problematice vývoje rezonanční tunelovací struktury (RTD - Resonant Tuneling Devices), jedno-elektronového tranzistoru (SET - Single Electron Transistor), kvantovým tečkám (Quantum Dots - Quantum Dot Cells), molekulovým spínačům (Molecular Shuttle Switches), atomovým relé (Atom relay). Jsou zkoumány základní elementy pro nanosystémy, jedná se především o rezonanční tunelový transistor (resonant tunneling devices, RTD), jednoelektronový tranzistor (single electron transistors, SET), rapid single quantum flux logic (RSFQ), kvantové tečky (quantum dots, QD), quantum cellular automata (QCA), uhlíkové nanotrubice (carbon nanotubes, CNT) a molekulární součástky. Je pravděpodobné, že se objeví další materiály, na základě kterých vznikne nová oblast elektroniky s výrazně menší spotřebou elektrické energie, laciná na výrobu a též s novými výrazně lepšími parametry. Vše nasvědčuje tomu, že ale tato elektronika bude pracovat v kvantovém světě s nanometrovými rozměry. Literatura [1] B. Bhushan: Tribology Issues and Opportunities in MEMS (Kluwer, Dordrecht 1998) [2] Bhushan B., Handbook of nanotechnology, Springer [3] W. A. Goddard, D.W. Brenner, S. E. Lyshevski, G. J. Iafrate: Handbook of Nanoscience, Engineering, and Technology (CRC, Boca Raton 2003) [4] Fujita, H. and Ikoma, T.: Numerical Determination of the Electromechanical Field for a Micro Servosystem. Sensors and Actuators, A21-A23, pp (1990). [5] Senturia, S. D.: The future of Microsensors and Microactuator Design. Sensors and Actuators A 56, pp (1996). [6] P.A. Gargini, The Global Route to Future Semiconductor Technology, IEEE Devices Magazine, March 2002, [7] Intel, [8] Husák,M., Kodeš,J., Schrofel,J., Od mikroelektroniky k nanoelektronice, Hospodářské noviny [9] S J Wind et al Appl. Phys. Lett [10] Grafen - materiál budoucnosti. 2009, 47

48 M. Husák: Perspektivy elektrotechniky [11] Petřík, M., Čím je zajímavý grafen? [12] Yu-Ming Lin: Operation of Grafen Transistors at GHz Frequencies, arxiv: , 2009 [13] Dumé,B., Graphene single-transistor amplifier is a first, 2010, [14] Floriano Traversi: Integrated complementary grafen inverter, arxiv: , 2009 [15] Havránek, M., Grafen materiál, kde elektrony ztrácejí hmotnost. Aldebaran Bulletin, Číslo 26, ročník 7 (2009) [16] Floriano Traversi et al, Integrated complementary graphene inverter, [17] Made in IBM Labs: Researchers Unveil Nanotechnology Circuits for Wireless Devices. 2011, [18] Belle Dumé, Nanoribbons make good memories, [19] Researchers one step closer to 'bootless' computer, [20] Schedin, F. et al. Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene. Nature Mater. 6, (2007) 48

49 V. Kašík: Technika FPGA TECHNIKA FPGA Vladimír Kašík VŠB-Technická univerzita Ostrava, FEI, Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství, 17.listopadu 15, Ostrava-Poruba vladimir.kasik@vsb.cz Abstrakt: Nejvýkonnějšími představiteli programovatelných logických součástek na trhu jsou dnes obvody FPGA. S nasazením těchto obvodů se můžeme setkat v mnoha oblastech digitální techniky, ve kterých jsou klíčovými požadavky vysoký výpočetní výkon, rekonfigurovatelnost návrhu, možnost rychlého číslicového zpracování signálů, podpora multimediálních aplikací nebo třeba dostatečný počet vstupně/výstupních linek. O těchto vlastnostech FPGA obvodů se mohou čtenáři dovědět z mnohých časopisů nebo internetových zdrojů. Pro laickou veřejnost nebo i běžného programátora však může být tato technologie zahalena rouškou tajemství ve smyslu jak danou úlohu či algoritmus pro FPGA vlastně navrhnout, nebo k čemu konkrétně nám tyto obvody mohou posloužit. Tento článek nemá ambice podat vyčerpávající přehled nebo snad návod k použití FPGA. Je spíše sbírkou několika vybraných příkladů, jenž mohou pomoci návrhářům a příznivcům FPGA v rozvoji vlastních nápadů. 1. Úvod Obecná architektura obvodů FPGA (Field Programmable Gate Array) obsahuje čtyři základní komponenty, ze kterých můžeme tvořit téměř libovolné logické zapojení: Pravidelnou matici konfigurovatelných logických bloků CLB (Configurable Logic Block), které představují základní stavební prvky vytvářených logických funkcí FPGA. Vstupně/výstupní bloky IOB (Input / Output Block). Jednotlivé vývody mohou být konfigurovány jako vstupní, výstupní nebo obousměrné s třístavovým řízením. Síť lokálních a globálních propojovacích prostředků. Statickou paměť konfigurace. Na obr.1 jsou zobrazeny ještě některé další prvky bloková paměť, HW násobičky, které mohou dále zvýšit možnosti a výkonnost obvodu. Tyto a některé další prvky jako např. bloky vysokorychlostní sériové komunikace byly postupně doplněny v rámci vývoje nových FPGA architektur. 49

50 V. Kašík: Technika FPGA Obr. 1. Základní architektura současných obvodů FPGA. V zásadě však hlavní roli vždy hraje logika z konfiguračních logických bloků CLB, která se zpravidla na funkci výsledného návrhu podílí největší měrou. Pro implementaci logických funkcí může návrhář zvolit buď softwarové řešení s některým ze soft-procesorů nebo půjde cestou obvodového návrhu a tedy hardwarového řešení. Rozhodnutí mezi těmito možnostmi vždy závisí na konkrétním zadání a svůj osobitý příspěvek mu dodá samotný návrhář, nemluvě o tom, že oba přístupy lze vhodně kombinovat. Pokud však má být návrh do FPGA dostatečně efektivní a optimalizovaný na výkon, budeme nuceni volit zejména HW řešení algoritmů. K dispozici máme, samozřejmě, pokročilé vývojové nástroje provázející nás od kroku simulace až po verifikaci funkce v cílovém obvodu. Ovšem ať už je návrh proveden pomocí schématu, některého jazyka HDL nebo třeba stavového diagramu, vždy by měl mít návrhář na zřeteli úroveň RTL popisu obvodu, aby dosáhl dostatečně optimálního výsledku s použitím dané architektury. Následující odstavce popisují čistě HW řešení některých úloh a pravdou možná je, že v některých případech bychom si mnohem snáze představili řešení softwarové. Nelze však říct, že HW řešení je obecně lepší. Obě řešení mají své výhody i nevýhody a je třeba porovnat rychlostní parametry, spotřebu logických prostředků, flexibilitu a rychlost návrhu nebo třeba zkušenosti návrháře. 2. HW řešení hry pong Kdysi dobře známá počítačová a také televizní hra pong nám může dobře posloužit pro demonstraci toho, jak algoritmus typicky softwarový převést do HW podoby. Již v tuto chvíli lze s úspěchem namítnout, proč bychom se o to měli snažit, tím spíše, že levných a poměrně výkonných mikrokontrolérů je na trhu spousta. Ještě jednou: jde především o ukázkovou demonstraci, i když některé výhody se také najdou. Pro specifikaci zadání dodejme, že projekt by měl mít následující vlastnosti: výstup VGA, 16 barev, 2 pálky ovládané tlačítky (nahoru/dolů), zobrazení skóre, zobrazení rámečku a středové linky, úhel a rychlost míčku se změní náhodně při každém odrazu, tlačítko RESET, taktování hodinami 50MHz. 50

51 V. Kašík: Technika FPGA Obr. 2. Obrazovka hry pong. Projekt je vytvořen pro vývojovou desku Spartan-3 Starter Kit s obvodem FPGA Xilinx. Návrh je popsán v jazyce VHDL avšak pro objasnění navržené struktury je na obr. 3 uvedeno zjednodušené obvodové zapojení s vyznačením jednotlivých modulů a použitých signálů. Jelikož použitá deska s FPGA sice disponuje VGA konektorem, ale neobsahuje žádný řadič videa ani video-dac, bylo třeba nejprve navrhnout logiku pro generování videosignálu. V této věci je základním logickým článkem modul vga_time, tvořící časovou základnu pro standard VGA. Jde o obvod generující souřadnice X a Y paprsku na obrazovce a synchronizační signály HS a VS. Taktování časové základny je řešeno 25MHz hodinami získanými ze vstupního signálu 50MHz podělením dvěma. Časová základna je tvořena dvěma stavovými automaty (horizontální a vertikální běh paprsku) a její zdrojová podoba je VHDL popis, další viz. [1]. 51

52 V. Kašík: Technika FPGA Obr. 3. Celkové obvodové zapojení pro HW řešení hry pong. O vykreslování všech 2D objektů se starají oválné fialové bločky na obr.3, což jsou obvody pro modulaci videosignálu podle vstupních dat (pozice míčku, poloha pálek, hodnota skóre). Jedná se v podstatě o komparátory porovnávající souřadnice XY časové základny s nějakým způsobem upravenými vstupními daty. Výstupem těchto kombinačních logických obvodů jsou dvouhodnotové jasové signály, které jsou následně připojeny k základním barevným složkám VGA rozhraní. Další děličky a čítače v levé části schématu se starají o plynulý pohyb pálek na základě stisku tlačítka a o automatický pohyb míčku. Děličky, čítače a registry tvoří hlavní část sekvenční logiky projektu. Zřejmě nejnáročnějším blokem je modul ballcitac, v němž jsou ukryta pravidla této hry. Konkrétně jde o odraz míčku při dotyku s pálkou (také změna směru, úhlu odrazu a rychlosti), resp. započtení bonusu dotykem o okraj hrací plochy. Komparátory CMP v pravé části schématu zajistí zastavení hry při dosažení skóre 10 u kteréhokoliv hráče. Modul ballcitac je stejně jako ostatní sekvenční obvody v tomto projektu popsán ve VHDL konstrukcí process(). Na tomto místě je vhodné zmínit, jakým způsobem jsou zde vlastně implementovány proměnné, které v SW řešení obydlují místa v operační paměti počítače. 52

53 V. Kašík: Technika FPGA Přestože moderní FPGA obsahují ve své architektuře bloky statické paměti RAM, jsou častěji tyto datové objekty tvořeny registry složenými z D-klopných obvodů. Výstupy z těchto registrů jsou pak sběrnicemi připojeny do vstupů těch modulů, ve kterých se dále zpracovávají, viz. obr. 3. Za povšimnutí také stojí, že kromě první děličky (delicka2) jsou všechny zbývající sekvenční obvody taktovány stejným hodinovým signálem (CLK). V tomto smyslu se jedná o obvod plně synchronní. Budeme-li i v tomto demonstračním příkladu hledat výhody proti SW řešení s procesorem, pak jsou to např.: bezpečnější řešení veškeré operace jsou jednoznačně deterministické a pokud návrh neobsahuje tzv. logické hazardy, pak nemůže dojít k zatuhnutí, nám dobře známému u programů na PC. absence videopaměti obraz je tvořen modulátory a časovou základnou, je tedy generován v reálném čase. 3. HW řešení puzzle Eternity II Klíčovým momentem pro progresivní užití programovatelné logiky je nalezení paralelního algoritmu zadané úlohy. Zde popsaným příkladem je implementace rychlého výpočtu backtracking algoritmu s FPGA pro řešení puzzle Eternity II [2],[3]. V případě Eternity II je úkolem nalézt umístění 16x16 kamenů do hracího plánu tak, aby sousední hrany měly stejnou barvu. Známými podmínkami jsou pouze centrální kámen a šedé okraje hracího plánu. Ke zvýšení náročnosti přispívá možnost otáčení kamenů před umístěním. Klasický přístup k nalezení výsledku je sekvenční vyhledávání jednotlivých kamenů, jejichž hrany barevně souhlasí s přiléhajícími hranami obsazovaného pole. Při řešení na počítači může nalezení jednoho vhodného kandidáta (kamene) znamenat stovky až tisíce hodinových cyklů procesoru. V následujícím textu je uvedena metoda pro řešení BT algoritmu využívající paralelní zpracování. I když dnešní počítače dosahují vyšších taktovacích frekvencí, než jakých dosahujeme u FPGA obvodů, je toto paralelní řešení výrazně rychlejší. Na obr. 4 je ukázka zjednodušené verze tohoto puzzle a postup jeho řešení, který objasňuje následující popis. Algoritmus 1: Backtracking algoritmus pro Ethernity II while není dosaženo konce do if existuje vhodný kámen pro následující pozice[i] then 1. vlož kámen do pozice[i] 2. i i + 1 else 1. vyjmi zpět kámen z pozice[i-1] 2. i i 1 Obr. 4. Průběh řešení BT algoritmu puzzle Eternity II, převzato z [3]. 53

54 V. Kašík: Technika FPGA V klasickém sekvenčním řešení je nutný výrazný výpočetní čas k nalezení vhodného kandidáta na umístění pozice[i]. Pro každý volný kámen je totiž třeba provést porovnání barev u všech přiléhajících hran a to pro čtyři různá otočení kamene. A protože Eternity II osahuje 256 kamenů, je v krajním případě třeba až porovnání barev pro umístění jednoho kamene do pozice[i]. Počet taktů procesoru pro jedno umístění kamene je pak ještě násobně vyšší. Existuje však i paralelní řešení tohoto algoritmu, kdy pro jedno umístění/vyjmutí kamene postačí jediný takt hodin. Řešení spočívá ve specifickém komparátoru, který dokáže současně porovnat všechny hrany z pozice[i] s možnostmi všech zbývajících kamenů. Ve své podstatě se jedná o paralelní zapojení mnoha komparátorů, jejichž jeden vstup je vždy konstantní. Komparátor je kombinační logický obvod a rychlost výsledku je tak dána pouze zpožděním signálu vnitřní logikou, tedy řádově v nanosekundách. Z obr. 5 je vidět, že na výstupu celého komparátoru se objeví log. 1 na všech výstupech, které odpovídají vhodně orientovaným kamenům na umístění pozice[i]. Za komparátorem pak samozřejmě následují další bloky, viz. obr. 6. Např. filtr, který vybírá vhodného kandidáta podle určitého pravidla tak, aby se vyloučily již obsazené kameny nebo ty, které už jednou na danou pozici obsazeny byly, ale při následném neúspěchu byly odebrány. Filtr je také kombinačním logickým obvodem s velmi malým zpožděním. Celkový stav řešení, tedy celý herní plán s rozmístěním kamenů, který současně determinuje soubor dosud neumístěných kamenů i další postup, je aktuálně uložen v rychlé dvoubránové statické RAM paměti v FPGA. Nejlepší výsledek, tedy stav řešení s největším počtem umístěných kamenů, je průběžně ukládán do další paměti. Její obsah je pomocí aplikačně specifického VGA adaptéru graficky zobrazen na monitoru. Obr. 5. Zapojení bloku komparátorů, převzato z [3]. Celý obvod tvoří uzavřenou datovou smyčku a je řízen jednoduchým řadičem, který pouze rozhoduje, má-li se kámen umístit nebo naopak odebrat a případně, bylo-li již dosaženo cílové pozice. Rychlost řešení významně omezuje zpoždění cesty kombinační logiky, která je navíc poměrně náročná. I přesto však je uvedené řešení řádově mnohem rychlejší (asi 50x při f CLK =16MHz) než odpovídající program na výkonném PC [3]. 54

55 V. Kašík: Technika FPGA Obr. 6. Blokový diagram HW řešení backtracking algoritmu, převzato z [3]. 4. Počítač náprav v železniční dopravě Výše uvedená témata mohou být považována spíše za zábavné školní příklady. Uveďme tedy reálný projekt, který je zaměřen do praxe, konkrétně do zabezpečovací techniky v železniční dopravě. Pro vyhodnocení, zda je traťový úsek volný nebo se v něm nachází vlak, se používá tzv. počítač náprav. Zařízení počítá nápravy, které vstoupily do monitorovaného úseku trati a pak také nápravy, které tento úsek opustily. Je-li rozdíl těchto čísel nulový, znamená to, že je traťový úsek volný a dalšímu vlaku je dovoleno do něj vjet. Obr. 7. Blokové schéma jednoho kanálu počítače náprav s obvodem FPGA, převzato z [4]a upraveno. Pokud je však úsek obsazen, musí být jiné přijíždějící vlaky zastaveny, jinak hrozí nebezpečí havárie. Počítač náprav lze také použít pro výstražná zařízení na železnici, např. na železničních přejezdech. V dřívějších dobách tato funkce využívala elektrického kontaktu mezi levou a pravou kolejnicí při vjezdu nápravy do sledovaného úseku trati. Tento stav vyhodnocovaly reléové obvody. V současnosti jsou však na tuto techniku kladeny vyšší nároky a jsou tak vyvíjeny jako bezkontaktní řešení s indukčními snímači umístěnými u kolejnice. Tyto snímače pracují s vf signály a v takovém případě je velmi důležitý odstup 55

56 V. Kašík: Technika FPGA signálu od šumu a jiných rušivých napětí spojených s atmosférickými jevy jako způsobuje blesk během bouřky. Moderní počítač náprav by měl být schopen spolehlivé funkce až do rychlosti 300 km/h, při které se náprava nad čidlem pohybuje jen po dobu asi 1-2 milisekund. Pro tyto nároky je třeba již použít metod číslicového zpracování signálu (DSP) v reálném čase. Signály ze snímačů jsou nejdříve digitalizovány v A/D převodnících. Obr. 8. Vyhodnocené signály ze snímače při průjezdu vlaku Pendolino, převzato z [5]. Vhodným řešením pro následné číslicové vyhodnocení je použití FPGA, z něhož jsou výsledky předány do jednočipového mikropočítače (mikrořadiče, MCU). Použitý mikrořadič umožňuje vzdálené nastavení parametrů v FPGA a dálkovou komunikaci s řídicím centrem prostřednictvím modemu (obr. 7). Výhodou a opodstatněním použití obvodu FPGA v tomto případě jsou zejména: velmi rychlé vyhodnocení vzorkovaných signálů v reálném čase, současné zpracování dat ze třech A/D převodníků při nezávislé komunikaci s MCU deterministický způsob práce, kdy odezva logického obvodu na vstupní signál je dána jeho známou vnitřní funkcí a počtem hodinových taktů. 5. Masivně paralelní výpočty s FPGA V případě potřeby nasazení velmi vysokého výpočetního výkonu pro algoritmy, které lze paralelizovat, existuje možnost využití velkého počtu FPGA obvodů vzájemně propojených odpovídajícími datovými cestami. V současné době již existují některá komerčně dostupná řešení HPC (High- Performance Computing) s desítkami až tisíci FPGA pro vysoce výkonné výpočetní aplikace. Tyto výpočetní jednotky mohou výrazně urychlit výpočty v různých oblastech, jako např. zpracování obrazu v biomedicíně (vyhodnocení snímků z MR, CT), v kryptografii, statistickém zpracování dat, v biologických vědách atd. Obr. 9. Koncepce HPC systému s FPGA. 56

57 V. Kašík: Technika FPGA Ve výkonných HPC systémech bývá soubor FPGA obvodů umístěn na jednotlivé karty, které jsou zasunuty do slotů sběrnicového systému (backplane) s vysokou datovou propustností. Komunikaci mezi uživatelem a deskami s FPGA zajišťuje hostitelské PC s odpovídajícím API rozhraním. Jedním z rozvíjejících se producentů těchto systémů je německá firma SciEngines GmbH, která má ve své nabídce systémy s FPGA obvody Xilinx. Na obr. 10 je jeden z jejich produktů HPC systém RIVYERA s 256 FPGA obvody Xilinx Spartan-6 S6LX150, viz. [6]. Efektivní využití takového výpočetního systému představuje jednak návrh logické struktury pro FPGA obvody a v druhé fázi naprogramování aplikace pro přenos dat mezi uživatelem a logikou FPGA. Zatímco pro návrh samotné logiky lze využít známé návrhové prostředky jako Xilinx ISE s podporou jazyka VHDL, pro naprogramování aplikačního SW jsou k dispozici API rozhraní pro jazyky C nebo JAVA. Obr. 10. Superpočítač RIVYERA s 256 FPGA obvody. 6. Závěr S obvody FPGA se můžeme setkat v mnoha odvětvích průmyslu, vědy a výzkumu. Volba mezi programovatelnou logikou a procesorovými systémy však nebývá vždy jednoznačná a závisí na mnoha aspektech. K nim patří zejména požadavky na rychlost, flexibilitu, počet vstupně/výstupních kanálů, bezpečnost funkční (safety) nebo informační (security), ale také ekonomické hledisko nebo např. zkušenosti návrháře. Zejména v případech paralelních algoritmů a výkonných HPC systémů však mají obvody FPGA své nezastupitelné místo. Literatura [1] KASIK, V. FPGA-powered Embedded Vector Graphics. In conference proceedings UBICOMM 2008, Valencia, Spain, ISBN , DOI: /UBICOMM [2] ETERNITY II [online]. [cit ] Available in URL < 57

58 V. Kašík: Technika FPGA [3] KASIK, V. Acceleration of Backtracking Algorithm with FPGA. In 2010 International Conference on Applied Electronics, pp , Pilsen, Czech Republic, SEP 08-09, 2010, ISBN , ISSN WOS: [4] HRBÁČ, R., KOLÁŘ, V., KAŠÍK, V., BLÁHA, R. Vývoj nového řešení snímače počítače náprav pro detekci kolejových vozidel pro rychlosti do 300 km/hod. NŽT, ISSN , 2011 [5] KASIK, V., TUTSCH, M. Simulation and Measurement of Axle Counter With FPGA. In: Technical Computing Prague 2011, 19th Annual Conference Proceedings. Prague, Czech Republic, ISBN Praha. Available in URL < [6] SciEngines GmbH: 58

59 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie MIKROVLNNÁ SKENOVACÍ MIKROSKOPIE Milan Navrátil, Vojtěch Křesálek, Josef Kudělka, Tomáš Martínek Ústav elektroniky a měření, Fakulta aplikované informatiky, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně {navratil, kresalek, kudelka, tmartinek}@fai.utb.cz Abstrakt: Tato práce se zabývá měřením elektromagnetických vlastností vzorků pomocí metody vycházejících z mikroskopie atomárních sil (AFM) - skenovací mikrovlnnou mikroskopií (SMM). Největší důraz je kladen na studium polovodičových struktur s využitím jak kontaktního módu mikroskopie atomárních sil, tak i bezkontaktního mikrovlnného módu. Při měření je použit mikroskopický systém Agilent 5420 SPM v kombinaci s vektorovým analyzátorem Agilent PNA N5230A. 1. Úvod K velmi často diskutovaným oborům současnosti se řadí nanotechnologie, což je interdisciplinární vědní obor, který se zabývá vytvářením a využíváním struktur v měřítku řádu jednotek až desítek nanometrů v alespoň jednom rozměru. Cílem nanotechnologie je přesné a předvídatelné ovládání jednotlivých atomů a molekul tak, aby vznikl nějaký objekt nebo struktura s novými užitnými vlastnostmi. Nanotechnologie se dotýkají širokého spektra aplikací v různých oborech lidské činnosti, ať jsou to biotechnologie, životní prostředí, zdravotnictví, pokročilé materiály, robotika, kosmonautika, vojenství, informační technologie, mechanické inženýrství a další. K ověření výrobní technologie, případně k zajištění kvalitativních požadavků na vyráběný produkt, je potřeba mít zpětnou vazbu. Tu nám může poskytnout měřicí metoda, která nám umožní sledovat struktury v takovémto malém rozlišení, a to nejen z hlediska topografického, ale také z pohledu dalších fyzikálních vlastností. Cesta k ní však byla poměrně dlouhá. V 60. letech minulého století přišel vůbec poprvé s myšlenkou možné manipulace s molekulami a atomy americký vědec a nositel Nobelovy ceny za fyziku Richard Philips Feynman [1]. Pojem nanotechnologie vznikl až v roce 1974, kdy byla představena nová technologie výroby součástek s přesností na nanometry [2]. Do konce 20. století probíhaly výzkumy, které se zabývaly studiem vlastností stavebních prvků hmoty na molekulární a atomární úrovni. Nejvýznamnějším přínosem v tomto období byla konstrukce přístroje, který umožnil pozorování a manipulaci s atomy a molekulami tzv. rastrovací tunelovací mikroskop (Scanning Tunneling Microscope - STM). Bylo to v roce 1981 ve výzkumné laboratoři IBM v Curychu ve Švýcarsku dvojicí Dr. Binning a Dr. Rohrer. O rok později bylo demonstrováno atomární rozlišení na monokrystalu křemíku. V roce 1985 byla vyvinuta metoda mikroskopie atomárních sil (Atomic Force Microscope - AFM) a následující rok byla tato dvojice oceněna Nobelovou cenou za fyziku [3]. Mikroskopie atomárních sil umožňuje zkoumat strukturní a funkční vlastnosti molekul v různých prostředích (vzduch, kapalina, vakuum) s atomárním rozlišením. U této metody navíc není nutné, aby byly zkoumané materiály vodivé, jak tomu bylo u původní skenovací tunelové mikroskopie. Během následujících let se začaly objevovat další měřící metody a technologický pokrok v této oblasti pokračuje dodnes, kdy máme 59

60 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie k dispozici techniky, které slouží jednak k zobrazování různých vlastností povrchů (elastické, třecí, tepelné, magnetické, elektrické), ale také např. k modifikaci povrchů, litografickému zpracování či k samotné manipulaci s jednotlivými atomy či molekulami. Obecně se těmto metodám říká mikroskopie skenující sondou (Scanning Probe Microscopy, SPM). Tyto metody využívají principu těsného přiblížení, případně i kontaktu skenující sondy se vzorkem a měření jejich následných vzájemných interakcí. Pro charakterizaci zkoumaného povrchu vzorku je potřeba provést měření ve více bodech (v tzv. rastru), výsledný obraz je pak počítačově sestaven ze získaných dat. Uplatnění uvedených měřicích metod je v současné době velmi široké, největší zastoupení má především v oblastech fyziky povrchů a biologii. V poslední době je vyvíjeno enormní úsilí v oblasti základního výzkumu, zejména v oblasti nanoelektroniky. Neméně zásadní je i mapování fyzikálních vlastností materiálů pro materiálový a polovodičový průmysl. Tato mapování jsou ovšem složitější než pouhé zobrazování topografie, poněvadž v mnoha případech jsou tyto vlastnosti ovlivněny strukturami, nacházejícími se pod povrchem zkoumaného vzorku. Je proto tedy důležité zvolit správnou techniku, aby byly tyto vlastnosti citlivě změřeny v dostačujícím rozlišení a zkoumaný vzorek zůstal nepoškozen. Od objevení STM a AFM uplynulo již hodně času a bylo vyvinuto několik dalších odvozených metod, které mají své výhody i nevýhody. V doméně polovodičového průmyslu prokázala největší potenciál právě mikrovlnná skenovací mikroskopie (Scanning microwave microscopy - SMM). Uplatnila se jak v oblasti vědeckého výzkumu, tak i v průmyslových aplikacích. V následujícím textu je objasněn princip metod AFM a SMM a experimentální měření zaměřené na polovodivé struktury. 2. AFM Mikroskopie atomárních sil může být použita na měření vodivých i nevodivých materiálů, poskytuje vysoké rozlišení a 3D informaci o vzorku. Tato metoda nevyžaduje náročnou přípravu vzorků. Měření může být prováděno i v kapalinách i za různé kontrolovatelné teploty. Potenciál AFM se dá využít v přírodních vědách, biofyzice, nanotechnologiích, biotechnologiích, elektrochemii a ve studiu polymerů a materiálů obecně [4]. Obr. 11 Základní princip AFM AFM funguje na principu vychýlení nosníku vlivem síly působící mezi atomy hrotu a atomy povrchu měřeného vzorku. Je-li přiveden hrot k povrchu vzorku, začne na něj působit přitažlivá či odpudivá síla v závislosti na jejich vzájemné vzdálenosti. Touto silou je nosník vychylován a tím je vychýlen i laserový paprsek, jenž je v klidu zaměřen do středu čtyřsegmentového fotocitlivého detektoru, viz Obr

61 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie Obr. 12 Závislost síly interakce na vzdálenosti hrotu od vzorku Na Obr. 12 jsou zobrazeny interakční síly v závislosti na vzdálenosti mezi hrotem a vzorkem. Na pravé části křivky jsou hrot a vzorek odděleny velkou vzdáleností. Jak se přibližují, začne působit nejdříve slabá přitažlivá síla. Tato zóna interakce je známá jako bezkontaktní režim. Při dalším přibližování začnou postupně dominovat odpudivé Van der Waalsovi síly. Když je vzdálenost mezi hrotem a vzorkem jen pár desetin nanometru, síly jsou v rovnováze a jsou rovny nule - jsme v oblasti přerušovaného kontaktu. Když začnou převažovat odpudivé síly, atomy jsou v kontaktním režimu. Interakce mezi hrotem a vzorkem komplikují i další síly, včetně kapilárních, adhézních a Pauliho sil. Kapilární síly vznikají v případě, kdy je hrot ponořen v kapalině, molekuly kapaliny obklopují hrot, jenž je v kontaktu s povrchem vzorku. Kapilární síly jsou prakticky konstantní, protože kapalina kolem hrotu a vzorku je nestlačitelná. Celková síla působící na hrot je součtem kapilárních, adhezních a Van der Waalsových sil. Van der Waalsovy síly působí proti každé síle, která se snaží atomy hrotu a vzorku více přiblížit, což vede k většímu vychýlení nosníku, nikoliv k jejich přiblížení. Proto se dá výchylka nosníku použít jako spolehlivý indikátor topografie povrchu. 3. Princip metody SMM Jedná se o kombinaci možností mikrovlnného vektorového analyzátoru (VNA) a mikroskopie atomárních sil (AFM), lze dosáhnout rozlišení pozice až v řádu nanometrů [5]. Vektorový analyzátor je přístroj pro extrémně přesná a kalibrovaná měření elektromagnetických komplexních signálů. Vyslaný signál, jehož parametry jsou přesně definované a známé, je z vektorového analyzátoru odeslán k vodivé AFM sondě, která je v kontaktu s měřeným povrchem vzorku (zátěží). Sonda slouží také jako přijímač odraženého mikrovlnného signálu z kontaktního bodu mezi hrotem a vzorkem [6]. Princip metody SMM lze tedy analogicky přirovnat např. ke světlu dopadajícímu na materiál, od kterého se část světla odrazí a část projde. Princip je totožný, liší se pouze vlnovou délkou použitého záření. Uvedený princip je využit v mikrovlnné oblasti. VNA má dva pracovní režimy: přenos a odraz. V režimu přenosu je porovnáván vyslaný signál (generovaný ve VNA) se signálem 61

62 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie přeneseným skrze měřený vzorek, zatímco v režimu odrazu je vyslaný signál porovnáván se signálem odraženým od měřeného vzorku [8]. V užívané terminologii je vyslaný signál označován písmenem R (referenční), odražený signál písmenem A a přenesený signál písmenem B. Z hodnoty jejich amplitudy a fáze lze vypočítat odrazové a přenosové parametry [7], viz Obr. 13. Obr. 13 Odrazové a přenosové parametry Některé veličiny mají čistě skalární podobu (fáze není měřena nebo je ignorována, např. útlum odrazu), některé vektorovou (např. impedance) a některé přímo souvisí s fází (např. skupinové zpoždění). Uodražený ZL Z U Z Z vyslaný Koeficient odrazu (Γ) je vyjádřen jako poměr velikosti napětí odraženého a vyslaného signálu. Může být také dopočítán ze znalosti impedance přenosového vedení Z 0 a zátěže Z L. Magnitudu koeficientu odrazu určuje (ρ). V praxi mohou teoreticky nastat tyto tři případy: L 0 0 (1) (2) 1. Veškerý signál bude přenesen ρ = 0 (U odražený = 0) 2. Část signálu se odrazí ρ > 0 (U odražený > 0) 3. Veškerý signál bude odražen ρ = 1 (U odražený = U vyslaný ) Z uvedeného tedy vyplývá: 0 ρ 1 Z uvedeného vztahu je tedy možné matematicky vypočítat impedanci měřeného bodu. Toto jedno číslo by ovšem nedávalo úplný obraz vzhledem k tomu, že impedance se zpravidla mění s frekvencí a bylo by tedy obtížné výsledky správně interpretovat. Pro vyřešení tohoto problému a správnou interpretaci výsledků je využíván Smithův diagram (Smith Chart). Tato funkce je integrovaná v samotném VNA. Smithův diagram zobrazuje v komplexní rovině závislost koeficientu odrazu na impedanci. Koeficient odrazu je komplexní vektor jdoucí z počátku souřadnic do bodu odpovídající dané hodnotě impedance. Impedance je vynesena pomocí parametrických čar, viz Obr

63 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie Obr. 14 Smithův diagram Největší citlivost Γ je dosažena při rezonanci, kdy je impedance testovaného vzorku srovnatelná s charakteristickou impedancí. Při měření v blízkosti rezonance měřený komplexní koeficient odrazu přímo souvisí s impedancí v kontaktním bodě testovaného vzorku a jsou zaznamenány i malé změny impedance. To je využito i při měření kapacitance, která je při správné kalibraci určena ze změny impedance. Pro kalibraci je používán kalibrační standard zlaté čepičky na schodovitých vrstvách oxidu křemičitého (silicion oxide) na křemíkové (silicon) podložce [8]. S využitím dc/dv kontroléru (nazývaném též DPMM - Dopant Profile Measurement Module) je systém schopen měřit souběžně s topografií a kapacitancí také koncentraci dopantů v polovodičích. Mikrovlnný signál z VNA je rozdělen na dvě části. První část je zesílena a použita jako lokální oscilační signál (LO) pro dc/dv směšovač. Druhá část je také zesílena a společně s RF signálem z MAC kontroléru poslána do sondy 0. 63

64 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie Obr. 15 SMM Měření kapacitance a koncentrace dopantů 0 Vzhledem ke změnám kapacitance vzorku vyvolaným RF signálem je mikrovlnný signál odrážen a modulován v závislosti na něm. Poté je odražený a namodulovaný RF signál rozdělen na dvě části, z čehož první část je po zesílení poslána do směšovače DPMM, kde je smíšena s LO signálem a demodulována. Tento demodulovaný signál je následně využit lockin zesilovačem k získání amplitudového a fázového dc/dv signálu. Druhá část je poslána do VNA k získání hodnoty kapacitance, viz Obr V případě, že systém není pro měření koncentrace dopantů kalibrován, jsou viditelné pouze změny koncentrace bez směrodatných hodnot. 4. Experimentální měření Na základě požadavků výrobce byla studována polovodičová struktura integrovaná na křemíkovém substrátu, jednalo se o bipolární tranzistory typu PNP. Obr. 16 Znázornění naměřené oblasti na snímku z optického mikroskopu (vlevo) a výsledného AFM topografického snímku (bipolární tranzistor PNP). 64

65 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie Je zobrazen snímek z optického mikroskopu při zvětšení 22,4x, na témže obrázku vpravo je zvýrazněna měřená oblast zobrazená v topografickém režimu AFM. Orientační měřítko u optického snímku bylo odvozeno od přiloženého objektivového mikrometru firmy L.E.T. optomechanika. Na topografickém zobrazení lze pozorovat kolektor, který je tvořen kruhem nacházejícím se okolo emitoru. Báze na zobrazení není vidět, protože je v epitaxní vrstvě pod povrchem. Kosočtverce mezi jednotlivými kolektorovými kruhy jsou vývody emitoru. Z topografického zobrazení byl extrahován profil z poloviny emitoru do poloviny kolektoru a ten byl porovnán s teoretickým schematickým průřezem bipolárního PNP tranzistoru. Obr. 17 Extrahovaný profil z poloviny emitoru do poloviny kolektoru Obr. 18 Schematický průřez PNP tranzistorem Jak vyplývá z uvedených obrázků (Obr. 7 a Obr. 8) extrahovaný profil přibližně odpovídá obecnému schématu. 65

66 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie Posléze byly změřeny hloubky prohlubní v oblasti emitoru a kolektoru oproti základní hladině. Hloubka prohlubně v oblasti emitoru činí 1,77 μm, hloubka prohlubně v oblasti kolektoru činí 1,16 μm. Obr. 19 Měření velikostí prohlubní v oblasti emitoru a kolektoru Obr. 20 Vizualizace koncentrace dopantů (vlevo) a kapacitance Na Obr. 10 jsou zobrazeny koncentrace dopantů a hodnoty naměřené kapacitance, kde lze pozorovat oblasti s různým rozložením hodnot přibližně odpovídající topografické struktuře. Pro jejich správné zobrazení je nutné provést před každým měřením kalibraci koncentrace dopantů či kapacitance. Proto je nezbytné mít vhodný standard u kapacitance to jsou většinou zlaté (Au) čepičky na schodovitých vrstvách oxidu křemičitého (SiO2) na křemíkové (Si) podložce. My jsme žádné kalibrační standardy neměli k dispozici, tudíž uvedené výsledky se dají použít pouze pro relativní měření či porovnání. 66

67 M.Navrátil, V. Křesálek, J. Kudělka, T. Martínek: Mikrovlnná skenovací mikroskopie 5. Závěr Dosažené výsledky potvrdily potenciál měřicího systému Agilent 5420 SPM, mikroskopie atomárních sil a skenovací mikrovlnné mikroskopie. Je patrné, že jejich vypovídací hodnota je mnohem vyšší, než u snímků z optického mikroskopu. Výhodou je zejména možnost paralelního pořizování více signálů, čímž jsou získány komplexnější informace o zkoumaném vzorku. Vedle topografických informací systém totiž umožňuje souběžně měřit i fyzikální vlastnosti jako jsou kapacitance nebo koncentrace dopantů. Při porovnávání profilu extrahovaného z topografického zobrazení s teoretickým schematickým průřezem bipolárního PNP tranzistoru bylo zjištěno, že naměřená data odpovídají schématu. Při měření byl použit mikroskopický systém Agilent 5420 SPM v kombinaci s vektorovým analyzátorem Agilent PNA N5230A. Poděkování Tato práce byla podpořena projektem CEBIA-Tech č. CZ.1.05/2.1.00/ Literatura [1] GRIBBIN, John and Mary. Richard Feynman: a life in science. 1st Plume printing. New York: Plume. ISBN [2] TANIGUCHI, Norio (1974). "On the Basic Concept of 'Nano-Technology'". Proceedings of the International Conference on Production Engineering, Tokyo, 1974, Part II (Japan Society of Precision Engineering). [3] BINNING G., ROHRER H., GERBER C., a WEIBEL E., Surface studies by scanning tunneling microscopy, Phys. Rev. Lett., vol. 49, no. 1, pp , Jul [4] AGILENT TECHNOLOGIES Scanning Probe Microscope: Users guide [online]. USA, 2012 [cit ]. Rev D. Dostupné z: [5] HAUGSTAD, Greg. Atomic force microscopy: understanding basic modes and advanced applications. Hoboken, N.J.: John Wiley, c2012, xxii, 464 p. ISBN [6] AGILENT TECHNOLOGIES. Understanding the Fundamental Principles of Vector Network Analysis: Application Note. USA, 2010 [7] AGILENT TECHNOLOGIES. Network Anylzer Basics [online]. USA, 2004 [cit ]. Dostupné z: [8] HAN, Wenhai. AGILENT TECHNOLOGIES. Introduction to Scanning Microwave Microscopy Mode: Application Note [online]. Rev C. USA, 2009 [cit ]. Dostupné z: WU, Shijie a Theresa HOPSON. AGILENT TECHNOLOGIES. SMM Imaging of Dopant Structures of Semiconductor Devices: Application Note [online]. USA, 2012 [cit ]. Dostupné z: 67

68 68

69 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice ZÁKLADNÍ AKTIVNÍ TROJPÓLY V ELEKTRONICE Josef Punčochář Katedra elektrotechniky, FEI, VŠB TU Ostrava 17. listopadu 15, Ostrava - Poruba josef.puncochar@vsb.cz Abstrakt: V článku je popisována jednoduchá metodika, která objasňuje signálové modely bipolárních a unipolárních tranzistorů. Metodika byla vytvořena pro studenty bakalářských studijních oborů, ale je i výchozím bodem pro studenty magisterských studijních oborů. Takový přístup umožňuje významnou redukci času, který je nutný pro zvládnutí problematiky. 1. Úvod I v dnešní době je nutné zpracovávat (předzpracovávat) analogové signály. I integrované obvody jsou složeny z tranzistorů. Proto je užitečné dobře ovládat základy analýzy lineárních elektronických obvodů. Vzhledem k tomu, že množství poznatků neustále narůstá, je vhodné používat takovou metodiku, která umožní získat s menší časovou dotací větší objem vědomostí. Tato skutečnost je známa již dlouhou dobu a diskutuje se i v současnosti, viz např. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. V práci bude popsána metodika tvorby signálových modelů bipolárních tranzistorů a unipolárních tranzistorů. Bude demonstrováno, že stejnou metodiku lze použít i pro triodu historicky první elektronický prvek, který umožnil rozvoj teorie zpětné vazby. Správné pochopení signálového chování základních aktivních trojpólů je nezbytné i pro pochopení moderních zesilovacích struktur, které jsou na základě bipolárních a unipolárních tranzistorů konstruovány. Pro bakalářskou úroveň jsou voleny modely nejjednodušší (ale správné) problematiku by mohl bez větších problému zvládnout i student střední školy. Pro magisterskou úroveň lze dospět na základě stejných východisek k modelům maticovým, případně k modelům nulorovým či grafovým (grafy signálových toků). V postgraduálním studiu je vhodné seznámit se podrobněji s grafy signálových toků. 2. Základní statické modely trojpólů U aktivního diskrétního trojpólu je správné nastavení pracovního bodu neopominutelným úkolem. Pracovní bod se zjišťuje (realizuje) z fyzikálních vlastností příslušného trojpólu, které jsou prakticky vždy definovány pomocí nelineárních matematických modelů. Ve stanoveném pracovním bodě se pak stanovují vlastnosti pro malé signálové změny v okolí pracovního bodu linearizované (lineární) modely trojpólu. Problém nastavení pracovního bodu je řešen např. v 8, 9, 10, ale i jinde nebudeme se jím zde podrobněji zabývat. 69

70 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice Na obr. 1 je základní zapojení bipolárního tranzistoru NPN (přechod báze emitor musí být polarizován v propustném směru, přechod báze kolektor v závěrném směru; stejná tvrzení platí i pro tranzistor typu PNP). Obr. 1 Zapojení tranzistoru se společným emitorem (SE) Pro popis napětí a proudů bipolárních tranzistorů jsou používány běžné symboly. Základní soubor statických vztahů je 11, 12 : I I I I E B E C I I I I E0 C C E exp( U I B I BE C 1 T U ) 1 U 1 1 CE U A (1) kde I E0 je konstrukční konstanta tranzistoru (saturační proud), U T je teplotní napětí (asi 26 mv při pokojové teplotě), U A je Earlyho napětí (souvisí se změnou šířky báze při změnách napětí báze kolektor, tedy i kolektor emitor), β je proudový zesilovací činitel. Základní zapojení tranzistoru FE se zabudovaným kanálem typu N (JFET) je na obr. 2 (obecně musí být pro FE tranzistory takové napětí mezi hradlem G a vývodem S, aby mezi D a S existoval vodivý kanál, jehož vlastnosti jsou změnami napětí U GS řízeny). Obr. 2 Zapojení JFETu se společným vývodem S (SS) 70

71 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice Pro popis napětí a proudů FE tranzistorů jsou opět používány běžné symboly. Základní soubor statických vztahů (pro všechny typy FE tranzistorů) v tzv. saturační oblasti (nezaměňovat se saturací bipolárních tranzistorů) je 11, 12 : I I D G I S 0 K 2 U U 1 U U GS P DS A (2) kde K je konstrukční konstanta tranzistoru, U P je prahové napětí, U A je Earlyho napětí (zde souvisí se změnou délky vodivého kanálu při změnách napětí mezi vývody D a S). Pokud máme FE tranzistor se zabudovaným kanálem, definuje se parametr I DSS saturační proud, to je proud I D při U GS = 0. Z rovnice (2) snadno určíme, že při splnění uvedené 2 podmínky platí za předpokladu U DS / U A << 1, že K I DSS U P. Obdržíme tak známou podobu vztahu (2): I I D G I S 0 I DSS 2 1 U U 1 U U GS P DS A (2a) Historicky prvním aktivním elektronickým prvkem byla trioda. Snadno ukážeme, že i na ni lze aplikovat všechny moderní analytické algoritmy, což je z metodického hlediska důležité. Navíc je škoda nepopsat zesilující trojpól založený na nepolovodičovém vedení proudu na vedení proudu elektrony ve vakuu. I v dnešní době nalézají elektronky využití. Základní zapojení triody je na obr. 3. Záporné pracovní napětí pro mřížku G je vytvořeno napětím na odporu R 4 to je stejné jako u JFETu s kanálem typu N. Obr. 3 Zapojení triody se společným vývodem K 71

72 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice I I A G Základní soubor statických vztahů je 13, 14, 15 : K 0 2 U U 3/ K U D U G A G 3/ 2 A kde μ koeficient zesílení a D = 1/ μ je tzv. průnik. K konstanta daná konstrukcí triody. (3) 3. Malosignálové parametry trojpólů Při aplikaci uvedených trojpólů lze vyšetřit malé signálové změny v okolí nastaveného pracovního bodu. Největší význam má vyšetření změn proudu I C (I D, I A ) na změně napětí U BE (U GS, U G ). Určujeme tak transkonduktanci. Pro bipolární tranzistor určíme ze souboru vztahů (1), že I ge U e E BE UBE UT... I E0 1 I e U E UBE UT / U T T 1 U CE U A (4) kde I E je pracovní proud tranzistoru. Pro FE tranzistory určíme ze souboru vztahů (2), že g m I U D GS 2 I K 2 D U U U 1 U U GS GS U P P DS A (5) kde I D je pracovní proud tranzistoru a U GS je pracovní napětí. Pro triodu výrobci v katalogu vždy uvádějí doporučený pracovní bod (napájecí napětí, R 3, R 4 ) a také strmost S (transkonduktanci). I zde však můžeme určit ze vztahů (3), že ( ) ( ) ( ) ( ) kde I A je pracovní proud triody, U A je anodové napětí a U G je pracovní napětí mřížky. (6) 72

73 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice Je zřejmé, že malé signálové změny napětí U BE (U GS, U G ) vyvolají malé signálové změny příslušných proudů a tyto změny jsou v dobré shodě s původními (nelineárními) rovnicemi získáváme linearizované transkonduktance (strmosti) trojpólů (v daném pracovním bodě). Ze vztahů (1), (2) a (3) je ovšem zřejmé, že proud I C (I D, I A ) je rovněž funkcí napětí U CE (U DS, U A ). Tato závislost již není dominantní, ale snadno ji můžeme zjistit určit malosignálové vodivosti g CE (g DS, G i ) mezi vývody C E bipolárního tranzistoru (D S tranzistoru FE, A K triody), stejně jako tomu bylo u transkonduktance: g CE I U C CE I 1 U E CE I E0 e U BE UT 1 U A U A kde I C je pracovní proud bipolárního tranzistoru; 1 I C (7) g DS I U D DS K U GS U P 2 1 U A I U D A (8) kde I D je pracovní proud tranzistoru FE; ( ) ( ) ( ) ( ) (9) kde I A je pracovní proud triody a U G je pracovní napětí mřížky. Pro tranzistory FE a triodu většinou předpokládáme, že vstupní proudy (hradla, mřížky) jsou prakticky zanedbatelné vstupní odpor je nekonečný. Pro bipolární tranzistor můžeme stanovit i vstupní vodivost g BE (mezi bází a emitorem): ( ) ( ( ) ) (10) 4. Behaviorální model trojpólů Je zřejmé, že malé signálové změny napětí (v daném pracovním bodě) vyvolají malé signálové změny proudů ve shodě s odvozenými parametry. Nahradíme-li diference malými písmeny (označení signálové změny; X k xk ), obdržíme pro bipolární tranzistor snadno vztahy (1) a (4) že i E g u ; i g u u g 1. e BE B BE BE BE e 73

74 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice Poněkud složitější je to s kolektorovým proudem, jedna složka je vyvolána základním tranzistorovým jevem, vztahy (1) a (4) - i E ( 1), druhá složka Earlyho napětím (jevem), vztah (7) - g u. Signálový proud (celkový) kolektorem je potom určen součtem CE CE i C ge ( 1 ube gce uce ). Pro bipolární tranzistor tak získáváme základní malosignálový soubor vztahů ie ge ube ube re ge ube ube i B gbe ube (11) 1 r 1 i C ge ube ube gce uce 1 r e e u CE 1 rce Protože se přednostně používá popisování obvodů pomocí odporů, použijeme běžné identity r U T e 1 ; ge IE r CE U A 1. g I CE C Zaveďme si nyní ideální tranzistor, který má nulový úbytek (signálový) napětí mezi bází a interním emitorem E i. Mezi interní emitor (fyzicky nedostupný) a emitor E tranzistoru je zapojena vodivost g e, modelující základní tranzistorový děj obr. 4. Z 2. Kirchhoffova zákona plyne u BE = u b u e a snadno se přesvědčíme, že vztahy (11) jsou na obr. 4 splněny, předpokládáme li (oprávněně), že r e << r CE. Obr. 4 Signálový model bipolárních tranzistorů model pro malé signálové změny v okolí pracovního bodu Dominantní frekvenční degradace je způsobena kapacitou zavřeného přechodu kolektor báze, proto může být model doplněn o kapacitu C CB. 74

75 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice Stejný signálový model platí i pro tranzistory FE, stačí udělat substituci: B G, E S, E i S i (interní S), r e r m = 1/g m, r CE r DS = 1/g DS =U A /I D, C CB C DG (kapacita mezi D a G), i G = 0 (ekvivalentní je formálně tvrzení, že β ). Obdobně pro triodu děláme substituci: B G, E K, E i K i (interní K), r e r k = 1/S, r CE R i = 1/G i, C CB C AG (kapacita mezi A a G), i G = 0 (ekvivalentní je opět formálně tvrzení, že β ). Snadno se nyní přesvědčíme, že pro triodu platí 13 známý Barkhausenův vztah S R D S D G 1. i i Všechna zapojení s trojpóly obr. 1, 2, 3 nyní mají stejné signálové schéma (neuvažujeme kapacitu mezi vstupem a výstupem) obr. 5 a proto i naprosto stejnou metodiku řešení viz např. 10. Ekvivalence prvků modelu pro jednotlivé trojpóly jsou shrnuty v tabulce 1. Vždy platí i u / r. rt in t Obr. 5 Malosignálový model struktur Tab. 1. Ekvivalence prvků modelu na obr. 5 pro jednotlivé trojpóly ( U A - zde Earlyho napětí) 75

76 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice Rutinním využitím Kirchhoffových zákonů a Ohmova zákona zjistíme pro obecnou strukturu na obr. 5 (symbolem // vyznačujeme paralelní řazení): 1 r o R r t napěťový přenos u u o in 3 vstupní odpor R R R 1 in 1 2 r t výstupní odpor je vždy určen hodnotou r o. Diskuse získaných vztahů pro jednotlivé aktivní trojpóly již přesahuje cíle této práce. Vždy je vhodné připomínat, že malosignálové parametry jsou superponovány na výchozí pracovní bod, že zesilování není nic jiného, než rozmítání pracovního bodu vstupním signálem v našem případě vstupním napětím. 5. Závěr Je demonstrována jednotná metodika pro řešení zesilovacích struktur s aktivními trojpóly. Popsaná úroveň vychází ze základních fyzikálních modelů trojpólů a je přijatelná pro studenty bakalářského studia i vyspělé studenty středních škol. Řadu praktických příkladů řešených touto metodikou lze nalézt např. v 10, 16. Pomocí této metodiky lze dospět až k analýze principielní struktury operačního zesilovače. Tyto poznatky jsou aplikovány na FEI, VŠB TU Ostrava, v předmětech bakalářského studia: Praktika z elektronických obvodů, Elektrické obvody II a Základní zesilovací struktury. Na základě stejných fyzikálních vztahů se lze ovšem dopracovat i k dvojbranovým a obecným maticovým modelům trojpólů a k analýze obvodů pomocí admitančních modelů, např. 8, 9, 17. Tato metodika je využita v předmětech magisterského studia Teorie lineárních obvodů (TELO) a Lineární obvody s elektronickými prvky (LOEP). Od admitančních modelů lze dospět k analýze obvodů metodou signálových toků 17. Některé části jsou využity v rámci magisterského studia, náročnější potom až ve studiu postgraduálním - Teorie elektronických obvodů (TEO). Literatura [1] Paskusz, G., F. Bussel, B.: Circuit Theory in a Unified Curriculum. IRE TRANSACTIONS ON EDUCATION, Sept. 1960, Issue 3, pp [2] Kesavan, H., K. Myers, B. R.: System Theory in a Unified Curriculum. IRE TRANSACTIONS ON EDUCATION, Sept. 1961, Issue 3, pp [3] Lindsay, J., F. Stefanovic, V. R.: Power Electronics in Electrical Engineering. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. E 21, NO. 3, AUGUST 1978, pp [4] Kassakian, J. G. Kirtley, J. L. Schweppe, F. C. Wilson, G. L.: Education for Tomorrow s Needs in the Electric Power Systems Engineering Profeession. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. E 21, NO. 3, AUGUST 1978, pp

77 J. Punčochář: Základní aktivní trojpóly v elektronice [5] Chunting Mi Shen, J. Ceccarelli, T.: Continuing Education in Power Electronics. IEEE TRANSAC-TIONS ON EDUCATION, VOL. 48, NO. 1, February 2005, pp [6] Hudson, T. A. Goldman, M. Sexton, S. M.: Using Behavorial Analysis to Improve Student Confidence With Analog Circuits. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. 51, NO. 3, AUGUST 2008, pp [7] Castro, M. Sebastián, R. Quaseda, J.: A System Theory Perspective of Electronics in Engineering Education. April 14-16, 2010, Madrid, SPAIN, IEEE EDUCON Education Engineering 2010 The Future of Global Learning Engineering Education, pp [8] Punčochář J.: Lineární obvody s elektronickými prvky. VŠB - TU Ostrava, Ostrava 2002, ISBN [9] Mohylová J.: Lineární obvody s elektronickými prvky (Sbírka příkladů). VŠB - TU Ostrava, Ostrava 2002, ISBN [10] Mohylová, J. Punčochář, J.: Elektrické obvody II. VŠB TU Ostrava, Ostrava 2007 ISBN [11] Dorf, R. C.: The Electrical Engineering Handbook, CRCnetBase. Chapman&Hall, CRC Press LLC, Florida, 1999 [12] Sedra, A.S. Smith, K.C. Microelectronic Circuits. Oxford University Press, Inc., 1998 [13] Barkhausen, H.: Elektronen Röhren. 1. Band: Allgemeine Grundlagen. VERLAG S. HIRZEL/LEPZIG 1931 (vierte vollständig umgearbeitete Auflage) [14] Pacák, M.: Fysikální základy radiotechniky. Díl II. Vydal RADIOAMATÉR, časopis pro radiotechniku a obory příbuzné, 1946 [15] Tribe, L.: The physics of elektrokinetic devices applying and adapting the Child- Langmuir Law derivation for vacuum diodes [16] Mohylová, J. Punčochář, J.: Cvičení z Elektrických obvodů II. VŠB TU Ostrava, Ostrava 2007, ISBN [17] Punčochář, J.: Přiřazení grafů signálových toků zesilovacím strukturám pomocí admitančních modelů. elektrorevue, , ISSN , 77

78 78

79 S. Valach, M. Kváš: Zynq APLIKACE HRADLOVÝCH POLÍ VÝVOJOVÝ KIT ZYNQ 7000 Soběslav Valach Marek Kváš Ústav automatizace a měřicí techniky, FEKT, VUT v Brně valach@feec.vutbr.cz Abstrakt: Článek se zaměřuje na současné trendy v oblasti programovatelných a konfigurovatelných struktur typu SoC v hradlových polích Xilinx řady Zynq včetně vývojových nástrojů a kitů. 1. Úvod Nároky na zpracování informací a algoritmická složitost neustále roste. Tento trend je patrný nejen ve výpočetní technice, ale i u komerčních zařízení, která zpracovávají velké objemy dat pomocí složitých algoritmů. Převážně se jedná o zařízení zpracovávající video signál, datové a telekomunikační spoje, realtimové řídící systémy, medicínské aplikace a v neposlední řadě i komponenty pro automobily. Zákazníci požadují vyšší výpočetní výkon a flexibilitu obvykle za srovnatelnou nebo nižší cenu oproti předcházejícím verzím systému. Alternativou mohou být systémy platforem SoC (System on Chip) implementované v hradlových polích typu FPGA. Evoluční vývoj struktur SoC postupně ukázal některé přístupy a řešení dané problematiky. První systémy byly obvykle konstruovány na bázi tzv. soft-core jader. To znamená, že veškerá funkcionalita je tvořena pomocí prostředků ve struktuře hradlového pole (propojovací síť, kombinační a sekvenční logika, vstupy a výstupy) bez další hardwarové podpory uvnitř FPGA. Takto koncipované řešení má celou radu výhod, kdy je řešení plně v režii návrháře a obecně lze říci, že nedochází k plýtvání zdrojů v FPGA. Nevýhodou je, že vlastní řešení obvykle nedosahuje optimální pracovní rychlosti, sestavování výsledného designu je časově náročné a spotřebovává větší množství prostředků FPGA. Druhým přístupem je doplnění struktury hradlového pole o další funkční bloky. V prvopočátcích se jednalo o blokové paměti, moduly zpracovávající hodinové signály (DCM, PLL) a DSP bloky. Modernější hradlová pole byla doplňována o složitější bloky, jako jsou PCI Express a paměťové řadiče, MAC bloky, rychlé transceivery a procesorová jádra. Tento koncept vyžadoval využití interních prostředků FPGA, kdy pro připojení procesoru k paměti byla spotřebována významná část zdrojů FPGA. Tento koncept byl v posledních letech nahrazen novým přístupem, kdy v FPGA nezávisle existují procesor a logická síť. Tento koncept je patrný v rodinách FPGA řady Zynq od společnosti Xilinx a SoC od společnosti Altera. Dnešní článek se bude věnovat pouze popisu platformy Zynq firmy Xilinx. 2. Popis platformy Zynq Základním stavebním prvkem obvodu Zynq je dvou jádrový procesor rodiny ARM Cortex A9 a hradlové pole řady Artix nebo Kintex. Procesor je vybaven vlastními periferními 79

80 S. Valach, M. Kváš: Zynq zařízeními od základních sériových rozhraní (I2C, SPI, CAN, USB) přes řadič pamětí až po Gigabitový Ethernetový MAC. Maximální pracovní frekvence procesoru se pohybuje od 667 do 866MHz dle rychlostní třídy obvodu. Hradlové pole použité v SoC je pro řady Z-7010/15/20 Artix-7 a pro vyšší řady Z-7030/45/100 Kintex-7. Ekvivalentní počet hradel se pohybuje v rozsahu od 430 tisíc v nejmenším obvodu do 6,6 miliónů v nejvyšší radě. Samozřejmostí je vybavené rychlými transceivery a rozhraním PCI Express ve verzi Gen 2 4x a 8x. V neposlední řadě stojí za zmínku i DSP bloky dosahující ekvivalentního výkonu od 100 do 2600 GMAC. Uspořádání platformy Zynq je na obrázku č. 1. Obrázek 1: Bloké scháma obvodu řady Zynq Xilinx Důležité je upozornit na fakt, že piny obvodu jsou rozděleny na dvě hlavní skupiny. Do první skupiny patří vstup výstupní piny procesoru. Tyto piny nejsou přímo ovládané z FPGA. Druhá skupina pinů patří hradlovému poli, které jsou děleny na piny pro obecné použití a na piny pro rychlé signály. Obecné piny jsou určeny pro napěťové úrovně v rozsahu 1,2V až 3.3V a pracovní frekvence do 1Gbit/s. Piny pro rychlé signály jsou naopak určeny pro napěťové rozsahy od 1,2V do 1,8V a pracovní frekvence do 1,8Gbit/s. Obrázek 2: Vnitřní uspořádání obvody Zynq 80